Áp điện là khả năng của một số vật liệu nhất định tạo ra điện khi chịu ứng suất cơ học và ngược lại. Từ này xuất phát từ tiếng Hy Lạp piezo có nghĩa là áp suất và điện. Nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1880, nhưng khái niệm này đã được biết đến từ rất lâu.
Ví dụ nổi tiếng nhất về áp điện là thạch anh, nhưng nhiều vật liệu khác cũng thể hiện hiện tượng này. Việc sử dụng phổ biến nhất của áp điện là sản xuất siêu âm.
Trong bài viết này, tôi sẽ thảo luận về áp điện là gì, nó hoạt động như thế nào và một số ứng dụng thực tế của hiện tượng tuyệt vời này.
Áp điện là gì?
Áp điện là khả năng của một số vật liệu nhất định tạo ra điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Đó là tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Vật liệu áp điện có thể được sử dụng để tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ, thiết bị điện tử, cân vi lượng, truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học hội tụ siêu mịn.
Vật liệu áp điện bao gồm tinh thể, một số gốm sứ, vật chất sinh học như xương và DNA và protein. Khi một lực tác dụng lên vật liệu áp điện, nó sẽ tạo ra điện tích. Điện tích này sau đó có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị hoặc tạo ra điện áp.
Vật liệu áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:
• Sản xuất và phát hiện âm thanh
• In phun áp điện
• Phát điện cao thế
• Máy phát đồng hồ
• Các thiết bị điện tử
• Cân bằng vi mô
• Truyền động vòi phun siêu âm
• Cụm quang học lấy nét siêu mịn
• Xe bán tải cho guitar khuếch đại điện tử
• Kích hoạt cho trống điện tử hiện đại
• Tạo ra tia lửa điện để đốt cháy khí gas
• Thiết bị đun nấu và sưởi ấm
• Đèn pin và bật lửa.
Lịch sử của áp điện là gì?
Áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie. Đó là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học, để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ 'áp điện' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein', có nghĩa là 'bóp' hoặc 'ấn', và 'elektron', có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, có nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra lực căng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng.
Kiến thức tổng hợp của anh em nhà Curies về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng nhiệt điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh trong hiệu ứng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie.
Áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và thiết bị điện tử, cân bằng vi mô, truyền động vòi phun siêu âm, hội tụ siêu mịn của cụm quang học, và các hình thức cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò để phân giải hình ảnh ở quy mô nguyên tử.
Áp điện cũng được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa và hiệu ứng nhiệt điện, trong đó vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ.
Sự phát triển của sonar trong Thế chiến I chứng kiến việc sử dụng các tinh thể áp điện do Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell phát triển. Điều này cho phép các lực lượng không quân Đồng minh tham gia vào các cuộc tấn công phối hợp hàng loạt bằng cách sử dụng đài phát thanh hàng không. Sự phát triển của các thiết bị và vật liệu áp điện ở Hoa Kỳ đã khiến các công ty bắt đầu phát triển thời chiến trong lĩnh vực lợi ích, đảm bảo các bằng sáng chế có lợi cho các vật liệu mới.
Nhật Bản đã nhìn thấy các ứng dụng mới và sự phát triển của ngành công nghiệp áp điện Hoa Kỳ và nhanh chóng phát triển ngành công nghiệp áp điện của họ. Họ đã chia sẻ thông tin một cách nhanh chóng và phát triển các vật liệu titanat bari và sau đó là vật liệu titanat zirconat chì với các đặc tính cụ thể cho các ứng dụng cụ thể.
Áp điện đã trải qua một chặng đường dài kể từ khi được phát hiện vào năm 1880 và hiện được sử dụng trong nhiều ứng dụng hàng ngày. Nó cũng đã được sử dụng để tạo ra những tiến bộ trong nghiên cứu vật liệu, chẳng hạn như máy đo phản xạ miền thời gian siêu âm, gửi xung siêu âm qua vật liệu để đo phản xạ và sự không liên tục để tìm ra lỗ hổng bên trong các vật thể bằng kim loại và đá đúc, cải thiện độ an toàn của cấu trúc.
Cách thức hoạt động của áp điện
Trong phần này, tôi sẽ khám phá cách hoạt động của áp điện. Tôi sẽ xem xét sự tích tụ điện tích trong chất rắn, tương tác cơ điện tuyến tính và quá trình thuận nghịch tạo nên hiện tượng này. Tôi cũng sẽ thảo luận về lịch sử của áp điện và các ứng dụng của nó.
Tích lũy điện tích trong chất rắn
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là một phản ứng đối với ứng suất cơ học được áp dụng và tên của nó bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp “piezein” (bóp hoặc ép) và “ēlektron” (hổ phách).
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, trong đó việc tạo ra biến dạng cơ học bên trong là kết quả của một điện trường ứng dụng. Ví dụ về các vật liệu tạo ra áp điện có thể đo được bao gồm các tinh thể titanate zirconate chì.
Các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra áp điện vào năm 1880. Kể từ đó, nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện cao thế, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng và dẫn động các vòi phun siêu âm để lấy nét siêu mịn cho các cụm quang học. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi đầu dò quét, có thể phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện được sử dụng hàng ngày trong việc tạo ra tia lửa để đốt cháy khí đốt, trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa và hiệu ứng nhiệt điện, trong đó vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Điều này đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong bộ bù Curie ở Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp. Anh em Pierre và Jacques Curie đã kết hợp kiến thức của họ về hiện tượng nhiệt điện với sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản, từ đó đưa ra dự đoán về hiện tượng nhiệt điện. Họ đã có thể dự đoán hành vi của tinh thể và chứng minh tác dụng trong các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrat tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện. Một đĩa áp điện tạo ra một điện áp khi bị biến dạng, và sự thay đổi về hình dạng được phóng đại rất nhiều trong phần trình diễn của Curies.
Họ đã có thể dự đoán hiệu ứng áp điện ngược, và hiệu ứng ngược đã được Gabriel Lippmann suy luận về mặt toán học vào năm 1881. Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của đàn hồi điện. biến dạng cơ học trong tinh thể áp điện.
Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng nó là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), trong đó mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định nghiêm ngặt các hằng số áp điện thông qua phân tích tenxơ. Đây là ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện, và sonar được phát triển trong Thế chiến I. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm.
Máy dò bao gồm một bộ chuyển đổi làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang dội lại. Bằng cách phát ra cao tần số xung từ đầu dò và đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách tới vật thể. Họ đã sử dụng áp điện để tạo ra thành công sonar, và dự án đã tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện. Trong nhiều thập kỷ, các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho vật liệu này đã được khám phá và phát triển, đồng thời các thiết bị áp điện được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hộp mực máy quay đĩa bằng gốm đã đơn giản hóa thiết kế đầu phát và được tạo ra cho các máy ghi âm giá rẻ và chính xác, rẻ hơn để bảo trì và dễ chế tạo hơn.
Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu.
Tương tác cơ điện tuyến tính
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tạo ra điện tích khi chịu ứng suất cơ học. Từ này có nguồn gốc từ các từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) có nghĩa là “ép hoặc ấn” và ἤλεκτρον (ēlektron) có nghĩa là “hổ phách”, là một nguồn điện tích cổ xưa.
Áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie. Nó dựa trên sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa các trạng thái cơ và điện của vật liệu kết tinh với sự đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, theo đó việc tạo ra biến dạng cơ học bên trong là kết quả của một điện trường ứng dụng. Ví dụ về các vật liệu tạo ra áp điện có thể đo được khi bị biến dạng khỏi cấu trúc tĩnh của chúng bao gồm các tinh thể titanate zirconate chì. Ngược lại, tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi áp dụng điện trường bên ngoài, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo và được sử dụng trong sản xuất sóng siêu âm.
Áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, chẳng hạn như:
• Sản xuất và phát hiện âm thanh
• In phun áp điện
• Phát điện cao thế
• Trình tạo đồng hồ
• Các thiết bị điện tử
• Cân bằng vi mô
• Truyền động vòi phun siêu âm
• Cụm quang học lấy nét siêu mịn
• Tạo cơ sở cho kính hiển vi quét đầu dò để phân giải ảnh ở cấp độ nguyên tử
• Pickup trong guitar khuếch đại điện tử
• Kích hoạt trong trống điện tử hiện đại
• Tạo tia lửa điện đốt cháy gas trong các thiết bị đun nấu, sưởi ấm
• Đèn pin và bật lửa
Áp điện cũng được sử dụng hàng ngày trong hiệu ứng nhiệt điện, là vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Điều này đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục.
Quan sát một tinh thể áp điện trong bộ bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là một minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp. Công trình của anh em Pierre và Jacques Curie đã khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện, đỉnh cao là việc xuất bản Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định chặt chẽ các hằng số áp điện thông qua phân tích tensor, dẫn đến ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện.
Sonar được phát triển trong Thế chiến thứ nhất, khi Paul Langevin của Pháp và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát ra xung tần số cao từ đầu dò. Bằng cách đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách của vật thể đó bằng cách sử dụng áp điện. Thành công của dự án này đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ và sự quan tâm đến các thiết bị áp điện trong nhiều thập kỷ, với các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho các vật liệu này đang được khám phá và phát triển. Các thiết bị áp điện đã tìm thấy ngôi nhà trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế đầu phát và tạo ra những máy ghi âm rẻ hơn và chính xác hơn, đồng thời chế tạo và bảo trì rẻ hơn, dễ dàng hơn.
Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo độ phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm vào vật liệu và đo độ phản xạ cũng như độ không liên tục để tìm ra các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc, giúp cải thiện độ an toàn của kết cấu. Sau Thế chiến II, các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản đã phát hiện ra một loại vật liệu tổng hợp mới gọi là chất sắt điện, thể hiện hằng số áp điện cao hơn nhiều lần so với vật liệu tự nhiên. Điều này dẫn đến việc nghiên cứu mạnh mẽ để phát triển bari titanat, và sau đó là titanat zirconat chì, những vật liệu có đặc tính cụ thể cho các ứng dụng cụ thể.
Một ví dụ quan trọng về việc sử dụng các tinh thể áp điện đã được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell sau Thế chiến II. Frederick R. Lack, làm việc tại phòng kỹ thuật điện thoại vô tuyến,
Quá trình đảo ngược
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là phản ứng của các vật liệu này đối với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ 'áp điện' bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp 'piezein' có nghĩa là 'bóp' hoặc 'ấn' và 'ēlektron' có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, có nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra lực căng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ về các vật liệu tạo ra áp điện có thể đo được bao gồm các tinh thể titanate zirconate chì. Khi cấu trúc tĩnh của các tinh thể này bị biến dạng, chúng sẽ trở lại kích thước ban đầu và ngược lại, khi có điện trường bên ngoài tác dụng, chúng sẽ thay đổi kích thước tĩnh, tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra áp điện vào năm 1880. Kể từ đó, nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện cao thế, máy phát đồng hồ, thiết bị điện tử, cân vi mô, truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, có thể phân giải hình ảnh ở quy mô nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện cũng được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, trong đó vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, đã được Carl Linnaeus, Franz Aepinus và René Haüy nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức về hổ phách. Antoine César Becquerel thừa nhận mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích, nhưng các thí nghiệm tỏ ra không thuyết phục.
Du khách đến Bảo tàng Hunterian ở Glasgow có thể xem Piezo Crystal Curie Compensator, một minh chứng về hiệu ứng áp điện trực tiếp của anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp kiến thức về nhiệt điện của họ với sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về nhiệt điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh với tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri và kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Sự thay đổi hình dạng này đã được Curies phóng đại rất nhiều để dự đoán hiệu ứng áp điện ngược. Hiệu ứng ngược được Gabriel Lippmann suy luận về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng nó là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này đã mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện bằng cách sử dụng phân tích tenxơ.
Ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện, chẳng hạn như sonar, đã được phát triển trong Thế chiến I. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một bộ chuyển đổi làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang dội lại. Bằng cách phát ra một xung tần số cao từ đầu dò và đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách của vật thể. Họ đã sử dụng áp điện để làm cho sonar này thành công. Dự án này đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện, và trong nhiều thập kỷ, các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho các vật liệu này đã được khám phá và phát triển. thiết bị áp điện
Điều gì gây ra áp điện?
Trong phần này, tôi sẽ khám phá nguồn gốc của hiện tượng áp điện và các vật liệu khác nhau thể hiện hiện tượng này. Tôi sẽ xem xét từ Hy Lạp 'piezein', nguồn điện tích cổ xưa và hiệu ứng nhiệt điện. Tôi cũng sẽ thảo luận về những khám phá của Pierre và Jacques Curie và sự phát triển của các thiết bị áp điện trong thế kỷ 20.
Từ Hy Lạp Piezein
Áp điện là sự tích tụ điện tích trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Nó được gây ra bởi phản ứng của các vật liệu này đối với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ áp điện xuất phát từ tiếng Hy Lạp “piezein”, có nghĩa là “ép hoặc ép”, và “ēlektron”, có nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo và là quá trình tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra hiện tượng áp điện vào năm 1880. Hiệu ứng áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện cao thế, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng. , truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi đầu dò quét, có thể phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, là sự tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, người đã thừa nhận mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục.
Tại bảo tàng ở Scotland, du khách có thể xem một bộ bù Curie tinh thể áp điện, một minh chứng về hiệu ứng áp điện trực tiếp của anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp kiến thức về nhiệt điện của họ với sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng hỏa điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrate tetrahydrat và thạch anh từ muối Rochelle thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Sự thay đổi hình dạng này được phóng đại rất nhiều trong phần trình diễn của Curies.
Vợ chồng Curies tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này đã mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện thông qua phân tích tensor.
Ứng dụng áp điện thực tế này đã dẫn đến sự phát triển của sonar trong Thế chiến I. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép, được gọi là hydrophone, để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát ra xung tần số cao. Đầu dò đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể để tính khoảng cách của vật thể. Việc sử dụng áp điện trong sonar đã thành công và dự án đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ cũng như sự quan tâm đến các thiết bị áp điện trong nhiều thập kỷ.
Các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho những vật liệu này đã được khám phá và phát triển, đồng thời các thiết bị áp điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế máy nghe nhạc và tạo ra các máy ghi âm rẻ hơn, chính xác hơn, bảo trì rẻ hơn và dễ dàng hơn để xây dựng. Sự phát triển
Nguồn điện tích cổ đại
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Nó được gây ra bởi phản ứng của vật liệu đối với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ 'áp điện' bắt nguồn từ từ 'piezein' trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là 'ép hoặc ấn', và từ 'elektron', có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, các tinh thể sẽ thay đổi kích thước tĩnh của chúng theo hiệu ứng áp điện nghịch đảo, tạo ra sóng siêu âm.
Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie. Nó được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng và điều khiển vòi phun siêu âm để lấy nét siêu mịn của các cụm quang học. Nó cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện được sử dụng hàng ngày trong việc tạo ra tia lửa để đốt cháy khí trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, là sự tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus và Franz Aepinus vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã thừa nhận mối quan hệ giữa cơ học. ứng suất và điện tích. Tuy nhiên, các thí nghiệm của họ tỏ ra không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện và bộ bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland chứng minh hiệu ứng áp điện trực tiếp. Công trình của anh em Pierre và Jacques Curie đã khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện, đỉnh cao là việc xuất bản Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định chặt chẽ các hằng số áp điện thông qua phân tích tensor, cho phép ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện.
Sonar được phát triển trong Thế chiến I bởi Paul Langevin người Pháp và đồng nghiệp của ông, người đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang dội lại. Bằng cách phát ra một xung tần số cao từ đầu dò và đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách tới vật thể. Họ đã sử dụng áp điện để làm cho sonar này thành công. Dự án đã tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện trong nhiều thập kỷ.
nhiệt điện
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Đó là sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Từ “áp điện” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “piezein”, có nghĩa là “ép hoặc ép”, và từ tiếng Hy Lạp “ēlektron”, có nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện được phát hiện bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie vào năm 1880. Đây là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do một điện trường ứng dụng. Ví dụ về các vật liệu tạo ra áp điện có thể đo được bao gồm các tinh thể titanate zirconate chì. Khi một cấu trúc tĩnh bị biến dạng, nó sẽ trở lại kích thước ban đầu. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, hiệu ứng áp điện ngược được tạo ra, dẫn đến việc tạo ra sóng siêu âm.
Hiệu ứng áp điện được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi mô, vòi phun siêu âm truyền động và cụm quang học hội tụ siêu mịn. Nó cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, là sự tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện tại Bảo tàng bù Curie ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp. Hai anh em Pierre và Jacques Curie đã kết hợp kiến thức của họ về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết của họ về các cấu trúc tinh thể cơ bản để đưa ra hiểu biết về hiện tượng nhiệt điện và dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh trong hiệu ứng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrate tetrahydrat và thạch anh được phát hiện là có tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Điều này đã được Curies phóng đại rất nhiều để dự đoán hiệu ứng áp điện ngược. Hiệu ứng ngược được suy luận toán học bởi các nguyên tắc nhiệt động lực học cơ bản của Gabriel Lippmann vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong những thập kỷ sau đó, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể).
Sự phát triển của sonar đã thành công và dự án đã tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện. Trong những thập kỷ sau đó, các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho những vật liệu này đã được khám phá và phát triển. Các thiết bị áp điện đã tìm thấy ngôi nhà trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế máy nghe nhạc và tạo ra những máy ghi âm rẻ hơn, chính xác hơn, bảo trì rẻ hơn và dễ chế tạo hơn. Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo độ phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm vào vật liệu và đo độ phản xạ cũng như độ không liên tục để tìm ra các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc, giúp cải thiện độ an toàn của kết cấu.
Sau Thế chiến II, các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản đã phát hiện ra một loại vật liệu tổng hợp mới gọi là chất sắt điện, thể hiện hằng số áp điện là
Vật liệu áp điện
Trong phần này, tôi sẽ thảo luận về các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện, đó là khả năng tích lũy điện tích của một số vật liệu nhất định để đáp ứng với ứng suất cơ học tác dụng. Tôi sẽ xem xét tinh thể, gốm sứ, vật chất sinh học, xương, DNA và protein cũng như cách tất cả chúng phản ứng với hiệu ứng áp điện.
Crystal
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ áp điện có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) có nghĩa là 'bóp' hoặc 'ấn' và ἤλεκτρον (ēlektron) có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa. Vật liệu áp điện bao gồm tinh thể, gốm sứ, vật chất sinh học, xương, DNA và protein.
Áp điện là tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra lực căng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ về các vật liệu tạo ra áp điện có thể đo được bao gồm các tinh thể chì zirconate titanate, có thể bị biến dạng về kích thước ban đầu hoặc ngược lại, thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi áp dụng điện trường bên ngoài. Điều này được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo, và được sử dụng để tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra hiện tượng áp điện vào năm 1880. Hiệu ứng áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như như cân vi lượng, truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Pickup áp điện cũng được sử dụng trong guitar khuếch đại điện tử và kích hoạt trong trống điện tử hiện đại.
Áp điện được sử dụng hàng ngày trong việc tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, cũng như trong đèn pin và bật lửa. Hiệu ứng nhiệt điện, là sự tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus và Franz Aepinus vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa cơ học. ứng suất và điện tích. Các thí nghiệm để chứng minh lý thuyết này là không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong bộ bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp. Hai anh em Pierre và Jacques Curie đã kết hợp kiến thức về nhiệt điện với sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản để đưa ra dự đoán về nhiệt điện. Họ đã có thể dự đoán hành vi của tinh thể và chứng minh tác dụng trong các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrat tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện. Một đĩa áp điện tạo ra điện áp khi bị biến dạng; sự thay đổi về hình dạng được phóng đại quá mức trong cuộc biểu tình của Curies.
Họ cũng có thể dự đoán hiệu ứng áp điện ngược và suy ra một cách toán học các nguyên lý nhiệt động cơ bản đằng sau nó. Gabriel Lippmann đã làm điều này vào năm 1881. Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện đàn hồi trong các tinh thể áp điện.
Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng nó là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), trong đó mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định nghiêm ngặt các hằng số áp điện bằng phân tích tenxơ.
Ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện trong sonar đã được phát triển trong Thế chiến thứ nhất. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép, được gọi là hydrophone, để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát xung tần số cao. Bằng cách đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách tới vật thể đó. Việc sử dụng áp điện trong sonar này đã thành công và dự án đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ cũng như sự quan tâm đến các thiết bị áp điện trong nhiều thập kỷ.
đồ gốm
Vật liệu áp điện là chất rắn tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Áp điện bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) có nghĩa là 'bóp' hoặc 'ấn' và ἤλεκτρον (ēlektron) có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa. Vật liệu áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện và tạo ra điện áp cao.
Vật liệu áp điện được tìm thấy trong tinh thể, gốm sứ, vật chất sinh học, xương, DNA và protein. Gốm sứ là vật liệu áp điện phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng hàng ngày. Gốm sứ được làm từ sự kết hợp của các oxit kim loại, chẳng hạn như chì zirconate titanate (PZT), được nung ở nhiệt độ cao để tạo thành chất rắn. Gốm sứ có độ bền cao và có thể chịu được nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt.
Gốm áp điện có nhiều cách sử dụng, bao gồm:
• Tạo ra tia lửa điện để đốt cháy khí gas dùng cho các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, chẳng hạn như đèn khò và bật lửa.
• Tạo sóng siêu âm cho chụp ảnh y tế.
• Tạo điện áp cao cho máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử.
• Tạo ra các loại cân vi lượng dùng để cân chính xác.
• Dẫn động các vòi phun siêu âm để lấy nét siêu mịn cho các cụm quang học.
• Tạo cơ sở cho kính hiển vi quét đầu dò, có thể phân giải ảnh ở cấp độ nguyên tử.
• Pickup dành cho ghi-ta khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt dành cho trống điện tử hiện đại.
Gốm áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ điện tử tiêu dùng đến hình ảnh y tế. Chúng có độ bền cao và có thể chịu được nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.
vấn đề sinh học
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Nó có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein', có nghĩa là 'bóp hoặc ấn', và 'ēlektron', có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Vật chất sinh học như xương, DNA và protein nằm trong số những vật liệu thể hiện tính áp điện. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ về những vật liệu này bao gồm các tinh thể chì zirconate titanate, tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, các tinh thể sẽ thay đổi kích thước tĩnh của chúng, tạo ra sóng siêu âm thông qua hiệu ứng áp điện nghịch đảo.
Việc phát hiện ra áp điện được thực hiện bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie vào năm 1880. Kể từ đó, nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, chẳng hạn như:
• Sản xuất và phát hiện âm thanh
• In phun áp điện
• Phát điện cao thế
• Trình tạo đồng hồ
• Các thiết bị điện tử
• Cân bằng vi mô
• Truyền động vòi phun siêu âm
• Cụm quang học lấy nét siêu mịn
• Tạo thành cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò
• Giải quyết hình ảnh ở quy mô nguyên tử
• Pickup trong guitar khuếch đại điện tử
• Kích hoạt trong trống điện tử hiện đại
Áp điện cũng được sử dụng trong các vật dụng hàng ngày như thiết bị nấu ăn và sưởi ấm bằng gas, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, là sự tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18. Dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, họ thừa nhận mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích, nhưng các thí nghiệm của họ tỏ ra không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong Máy bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp. Hai anh em Pierre và Jacques Curie đã kết hợp kiến thức về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết của họ về các cấu trúc tinh thể cơ bản để đưa ra dự đoán về hiện tượng nhiệt điện và dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri và kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Hiệu ứng này đã được Curies phóng đại rất nhiều để dự đoán hiệu ứng áp điện ngược. Hiệu ứng ngược được Gabriel Lippmann suy luận về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm 'Lehrbuch der Kristallphysik' của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể).
Khúc xương
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Xương là một trong những vật liệu thể hiện hiện tượng này.
Xương là một loại vật chất sinh học bao gồm protein và khoáng chất, bao gồm collagen, canxi và phốt pho. Nó là chất áp điện nhất trong số tất cả các vật liệu sinh học và có khả năng tạo ra điện áp khi chịu ứng suất cơ học.
Hiệu ứng áp điện trong xương là kết quả của cấu trúc độc đáo của nó. Nó bao gồm một mạng lưới các sợi collagen được nhúng trong một ma trận khoáng chất. Khi xương chịu áp lực cơ học, các sợi collagen sẽ di chuyển, khiến các khoáng chất bị phân cực và tạo ra điện tích.
Hiệu ứng áp điện trong xương có một số ứng dụng thực tế. Nó được sử dụng trong hình ảnh y tế, chẳng hạn như hình ảnh siêu âm và tia X, để phát hiện gãy xương và các bất thường khác. Nó cũng được sử dụng trong máy trợ thính dẫn truyền qua xương, sử dụng hiệu ứng áp điện để chuyển đổi sóng âm thanh thành tín hiệu điện được gửi trực tiếp đến tai trong.
Hiệu ứng áp điện trong xương cũng được sử dụng trong cấy ghép chỉnh hình, chẳng hạn như khớp nhân tạo và chân tay giả. Bộ cấy sử dụng hiệu ứng áp điện để chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, sau đó được sử dụng để cấp nguồn cho thiết bị.
Ngoài ra, hiệu ứng áp điện trong xương đang được khám phá để sử dụng trong việc phát triển các phương pháp điều trị y tế mới. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu việc sử dụng áp điện để kích thích sự phát triển của xương và sửa chữa các mô bị tổn thương.
Nhìn chung, hiệu ứng áp điện trong xương là một hiện tượng hấp dẫn với nhiều ứng dụng thực tế. Nó đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế và công nghệ, và đang được khám phá để sử dụng trong việc phát triển các phương pháp điều trị mới.
DNA
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. DNA là một trong những vật liệu thể hiện hiệu ứng này. DNA là một phân tử sinh học được tìm thấy trong tất cả các sinh vật sống và bao gồm bốn cơ sở nucleotide: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T).
DNA là một phân tử phức tạp có thể được sử dụng để tạo ra điện tích khi chịu áp lực cơ học. Điều này là do thực tế là các phân tử DNA bao gồm hai chuỗi nucleotide được giữ với nhau bằng liên kết hydro. Khi các liên kết này bị phá vỡ, điện tích được tạo ra.
Hiệu ứng áp điện của DNA đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:
• Phát điện cho cấy ghép y tế
• Phát hiện và đo lực cơ học trong tế bào
• Phát triển cảm biến kích thước nano
• Tạo cảm biến sinh học để giải trình tự DNA
• Tạo sóng siêu âm để chụp ảnh
Hiệu ứng áp điện của DNA cũng đang được khám phá để sử dụng tiềm năng của nó trong việc phát triển các vật liệu mới, chẳng hạn như dây nano và ống nano. Những vật liệu này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm lưu trữ và cảm biến năng lượng.
Hiệu ứng áp điện của DNA đã được nghiên cứu rộng rãi và được phát hiện là rất nhạy cảm với ứng suất cơ học. Điều này làm cho nó trở thành một công cụ có giá trị cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tìm cách phát triển các vật liệu và công nghệ mới.
Tóm lại, DNA là một vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện, đó là khả năng tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Hiệu ứng này đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm cấy ghép y tế, cảm biến kích thước nano và giải trình tự DNA. Nó cũng đang được khám phá về khả năng sử dụng tiềm năng của nó trong việc phát triển các vật liệu mới, chẳng hạn như dây nano và ống nano.
Protein
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Các vật liệu áp điện, chẳng hạn như protein, tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA, thể hiện hiệu ứng này. Đặc biệt, protein là một vật liệu áp điện độc đáo, vì chúng bao gồm một cấu trúc phức tạp của các axit amin có thể bị biến dạng để tạo ra điện tích.
Protein là loại vật liệu áp điện phong phú nhất và chúng được tìm thấy ở nhiều dạng khác nhau. Chúng có thể được tìm thấy ở dạng enzyme, hormone và kháng thể, cũng như ở dạng protein cấu trúc như collagen và keratin. Protein cũng được tìm thấy ở dạng protein cơ bắp, chịu trách nhiệm cho sự co cơ và thư giãn.
Hiệu ứng áp điện của protein là do chúng bao gồm một cấu trúc phức tạp của các axit amin. Khi các axit amin này bị biến dạng, chúng sẽ tạo ra điện tích. Điện tích này sau đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị, chẳng hạn như cảm biến và bộ truyền động.
Protein cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế. Ví dụ, chúng được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một số protein trong cơ thể, có thể được sử dụng để chẩn đoán bệnh. Chúng cũng được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một số vi khuẩn và vi rút, có thể được sử dụng để chẩn đoán nhiễm trùng.
Protein cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Ví dụ, chúng được sử dụng để tạo cảm biến và bộ truyền động cho nhiều quy trình công nghiệp. Chúng cũng được sử dụng để tạo ra các vật liệu có thể được sử dụng trong việc chế tạo máy bay và các phương tiện khác.
Tóm lại, protein là một vật liệu áp điện độc đáo có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Chúng bao gồm một cấu trúc phức tạp của các axit amin có thể bị biến dạng để tạo ra điện tích và chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế và công nghiệp.
Khai thác năng lượng bằng áp điện
Trong phần này, tôi sẽ thảo luận về cách áp điện có thể được sử dụng để thu năng lượng. Tôi sẽ xem xét các ứng dụng khác nhau của áp điện, từ in phun áp điện đến máy phát đồng hồ và cân bằng vi mô. Tôi cũng sẽ khám phá lịch sử của áp điện, từ khám phá của Pierre Curie cho đến việc sử dụng nó trong Thế chiến II. Cuối cùng, tôi sẽ thảo luận về tình trạng hiện tại của ngành công nghiệp áp điện và tiềm năng phát triển hơn nữa.
In phun áp điện
Áp điện là khả năng của một số vật liệu nhất định tạo ra điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ 'áp điện' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein' (ép hoặc ép) và 'elektron' (hổ phách), một nguồn điện tích cổ xưa. Vật liệu áp điện, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA, được sử dụng trong nhiều ứng dụng.
Áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp cao, như một bộ tạo đồng hồ, trong các thiết bị điện tử và trong cân bằng vi mô. Nó cũng được sử dụng để dẫn động các vòi phun siêu âm và các cụm quang học lấy nét siêu mịn. In phun áp điện là một ứng dụng phổ biến của công nghệ này. Đây là một kiểu in sử dụng các tinh thể áp điện để tạo ra rung động tần số cao, được sử dụng để đẩy các giọt mực lên một trang.
Việc phát hiện ra áp điện bắt đầu từ năm 1880, khi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie phát hiện ra hiệu ứng này. Kể từ đó, hiệu ứng áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích. Áp điện được sử dụng trong các vật dụng hàng ngày như thiết bị nấu ăn và sưởi ấm bằng gas, đèn pin, bật lửa và xe bán tải trong guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt trong trống điện tử hiện đại.
Áp điện cũng được sử dụng trong nghiên cứu khoa học. Nó là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Nó cũng được sử dụng trong máy đo phản xạ miền thời gian siêu âm, gửi xung siêu âm vào vật liệu và đo phản xạ để phát hiện sự không liên tục và tìm lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc.
Sự phát triển của các thiết bị và vật liệu áp điện đã được thúc đẩy bởi nhu cầu về hiệu suất tốt hơn và quy trình sản xuất dễ dàng hơn. Tại Hoa Kỳ, sự phát triển của các tinh thể thạch anh cho mục đích thương mại là một yếu tố chính trong sự phát triển của ngành áp điện. Ngược lại, các nhà sản xuất Nhật Bản đã có thể nhanh chóng chia sẻ thông tin và phát triển các ứng dụng mới, dẫn đến sự tăng trưởng nhanh chóng tại thị trường Nhật Bản.
Áp điện đã cách mạng hóa cách chúng ta sử dụng năng lượng, từ những vật dụng hàng ngày như bật lửa cho đến nghiên cứu khoa học tiên tiến. Đây là một công nghệ linh hoạt cho phép chúng ta khám phá và phát triển các vật liệu và ứng dụng mới, đồng thời nó sẽ tiếp tục là một phần quan trọng trong cuộc sống của chúng ta trong nhiều năm tới.
Sản xuất điện cao thế
Áp điện là khả năng của một số vật liệu rắn nhất định tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ 'áp điện' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein' có nghĩa là 'bóp' hoặc 'ấn' và 'ēlektron' có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa. Áp điện là tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo.
Hiệu ứng áp điện là một quá trình thuận nghịch; các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, sự tạo ra lực căng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo, được sử dụng trong việc tạo ra sóng siêu âm.
Hiệu ứng áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc tạo ra điện áp cao. Vật liệu áp điện được sử dụng trong sản xuất và phát hiện âm thanh, trong in phun áp điện, trong máy phát đồng hồ, trong thiết bị điện tử, trong cân vi mô, trong vòi phun siêu âm dẫn động và trong các cụm quang học hội tụ siêu mịn.
Áp điện cũng được sử dụng trong các ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, trong đèn pin, bật lửa và vật liệu hiệu ứng nhiệt điện, tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Hiệu ứng này đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích, mặc dù thí nghiệm của họ tỏ ra không thuyết phục.
Kiến thức kết hợp về nhiệt điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về nhiệt điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Điều này đã được phóng đại rất nhiều trong cuộc trình diễn của Curies về hiệu ứng áp điện trực tiếp.
Hai anh em Pierre và Jacques Curie tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng nó là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), trong đó mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định nghiêm ngặt các hằng số áp điện bằng phân tích tenxơ.
Ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện bắt đầu với sự phát triển của sonar trong Thế chiến I. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò bao gồm một bộ chuyển đổi làm từ các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang dội lại. Bằng cách phát ra một xung tần số cao từ đầu dò và đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách của vật thể. Họ đã sử dụng áp điện để tạo nên thành công của sonar và dự án đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ cũng như sự quan tâm đến các thiết bị áp điện trong những thập kỷ sau đó.
Vật liệu áp điện mới và ứng dụng mới cho những vật liệu này đã được khám phá và phát triển. Các thiết bị áp điện được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế máy nghe nhạc và tạo ra những máy ghi âm rẻ hơn, chính xác hơn, bảo trì rẻ hơn và dễ chế tạo hơn. Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo độ phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm vào vật liệu và đo độ phản xạ cũng như độ không liên tục để tìm ra các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc, giúp cải thiện độ an toàn của kết cấu.
Chiến tranh thế giới thứ hai chứng kiến các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản khám phá ra một loại vật liệu tổng hợp mới gọi là fer.
Máy phát điện đồng hồ
Áp điện là khả năng của một số vật liệu tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Hiện tượng này đã được sử dụng để tạo ra một số ứng dụng hữu ích, bao gồm cả bộ tạo xung nhịp. Máy phát đồng hồ là thiết bị sử dụng áp điện để tạo tín hiệu điện với thời gian chính xác.
Bộ tạo đồng hồ được sử dụng trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong máy tính, viễn thông và hệ thống ô tô. Chúng cũng được sử dụng trong các thiết bị y tế, như máy tạo nhịp tim, để đảm bảo thời gian chính xác của tín hiệu điện. Máy phát đồng hồ cũng được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp và người máy, những nơi cần thời gian chính xác.
Hiệu ứng áp điện dựa trên tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng có thể tạo ra lực căng cơ học khi áp dụng điện trường. Đây được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo và được sử dụng để tạo ra sóng siêu âm.
Máy phát đồng hồ sử dụng hiệu ứng áp điện ngược này để tạo tín hiệu điện với thời gian chính xác. Vật liệu áp điện bị biến dạng bởi điện trường, khiến nó dao động ở một tần số cụ thể. Rung động này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện, được sử dụng để tạo tín hiệu thời gian chính xác.
Bộ tạo đồng hồ được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ thiết bị y tế đến tự động hóa công nghiệp. Chúng đáng tin cậy, chính xác và dễ sử dụng, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng. Áp điện là một phần quan trọng của công nghệ hiện đại và máy phát xung nhịp chỉ là một trong nhiều ứng dụng của hiện tượng này.
Các thiết bị điện tử
Áp điện là khả năng của một số vật liệu rắn nhất định tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng áp điện, được sử dụng trong nhiều loại thiết bị điện tử, từ bộ thu âm trong guitar khuếch đại điện tử đến bộ kích hoạt trong trống điện tử hiện đại.
Áp điện bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) nghĩa là “bóp” hoặc “ấn” và ἤλεκτρον (ēlektron) nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa. Vật liệu áp điện là tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như protein xương và DNA, thể hiện hiệu ứng áp điện.
Hiệu ứng áp điện là sự tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo, được sử dụng trong việc tạo ra sóng siêu âm.
Việc phát hiện ra hiện tượng áp điện được ghi nhận cho các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie, những người đã chứng minh hiệu ứng áp điện trực tiếp vào năm 1880. Kiến thức tổng hợp của họ về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiệu ứng nhiệt điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể đã được chứng minh với tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle.
Áp điện đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa và vật liệu hiệu ứng nhiệt điện tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Điều này đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Tuy nhiên, các thí nghiệm tỏ ra không thuyết phục cho đến khi quan sát về một tinh thể áp điện tại bảo tàng máy bù Curie ở Scotland đã chứng minh hiệu ứng áp điện trực tiếp của anh em nhà Curie.
Áp điện được sử dụng trong nhiều loại thiết bị điện tử, từ bộ thu âm trong đàn guitar khuếch đại điện tử đến bộ kích hoạt trong trống điện tử hiện đại. Nó cũng được sử dụng trong sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, sản xuất điện cao thế, máy phát đồng hồ, cân vi mô, vòi phun siêu âm truyền động và cụm quang học hội tụ siêu mịn. Áp điện cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở quy mô nguyên tử.
Cân bằng vi mô
Áp điện là khả năng của một số vật liệu rắn nhất định tích lũy điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Áp điện bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein), nghĩa là “bóp” hoặc “ấn”, và ἤλεκτρον (ēlektron), nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí đốt cho các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Nó cũng được sử dụng trong sản xuất và phát hiện âm thanh, và trong in phun áp điện.
Áp điện cũng được sử dụng để tạo ra điện áp cao và là cơ sở của máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân bằng vi mô. Áp điện cũng được sử dụng để điều khiển các vòi phun siêu âm và các cụm quang học hội tụ siêu mịn.
Việc phát hiện ra hiện tượng áp điện được ghi nhận cho các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie vào năm 1880. Anh em nhà Curie đã kết hợp kiến thức về nhiệt điện và hiểu biết của họ về các cấu trúc tinh thể cơ bản để đưa ra khái niệm về áp điện. Họ đã có thể dự đoán hành vi của tinh thể và chứng minh tác dụng trong các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle.
Hiệu ứng áp điện đã được khai thác cho các ứng dụng hữu ích, bao gồm cả việc sản xuất và phát hiện âm thanh. Sự phát triển của sonar trong Thế chiến thứ nhất là một bước đột phá lớn trong việc sử dụng áp điện. Sau Thế chiến II, các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản đã phát hiện ra một loại vật liệu tổng hợp mới gọi là chất sắt điện, thể hiện hằng số áp điện cao hơn gấp mười lần so với vật liệu tự nhiên.
Điều này dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ bari titanat và sau đó là vật liệu chì zirconat titanat, có các đặc tính cụ thể cho các ứng dụng cụ thể. Một ví dụ quan trọng về việc sử dụng các tinh thể áp điện đã được phát triển tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell sau Thế chiến II.
Frederick R. Lack, làm việc trong bộ phận kỹ thuật điện thoại vô tuyến, đã phát triển một tinh thể cắt hoạt động trong nhiều dải nhiệt độ. Pha lê của Thiếu không cần các phụ kiện nặng nề của các pha lê trước đó, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng nó trên máy bay. Sự phát triển này cho phép các lực lượng không quân Đồng minh tham gia vào các cuộc tấn công phối hợp hàng loạt bằng cách sử dụng đài phát thanh hàng không.
Sự phát triển của các thiết bị và vật liệu áp điện ở Hoa Kỳ đã giúp một số công ty duy trì hoạt động kinh doanh và sự phát triển của các tinh thể thạch anh đã được khai thác thương mại. Kể từ đó, vật liệu áp điện đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm chụp ảnh y tế, làm sạch bằng siêu âm, v.v.
Lái vòi phun siêu âm
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là một phản ứng đối với ứng suất cơ học được áp dụng và có nguồn gốc từ các từ tiếng Hy Lạp 'piezein', có nghĩa là 'bóp' hoặc 'ấn', và 'elektron', có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là sự tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, có nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Một ví dụ về điều này là các tinh thể titanate zirconate chì, tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, các tinh thể sẽ thay đổi kích thước tĩnh của chúng, dẫn đến hiệu ứng áp điện ngược, tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra áp điện vào năm 1880 và kể từ đó nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm cả việc tạo ra và phát hiện âm thanh. Áp điện cũng được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v.
Hiệu ứng nhiệt điện, là vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, đã được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus, Franz Aepinus, và kiến thức rút ra từ giữa thế kỷ 18 từ René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và sạc điện. Các thí nghiệm để chứng minh điều này là không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong Máy bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp của hai anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp kiến thức của họ về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết về cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng nhiệt điện và cho phép họ dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh với tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri và kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Điều này đã được Curies phóng đại quá mức để dự đoán hiệu ứng áp điện ngược, được suy ra bằng toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản của Gabriel Lippmann vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium bởi Pierre và Marie Curie trong công trình khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện. Điều này lên đến đỉnh điểm trong việc xuất bản Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định chính xác các hằng số áp điện thông qua phân tích tensor.
Ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện bắt đầu với sonar, được phát triển trong Thế chiến thứ nhất. Ở Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép, được gọi là hydrophone, để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát ra xung tần số cao. Bằng cách đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách của vật thể. Việc sử dụng áp điện trong sonar này đã thành công và dự án đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ cũng như sự quan tâm đến các thiết bị áp điện trong nhiều thập kỷ.
Các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho những vật liệu này đã được khám phá và phát triển, đồng thời các thiết bị áp điện đã tìm thấy những ngôi nhà trong các lĩnh vực như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế máy nghe nhạc và tạo ra những máy ghi âm rẻ hơn, chính xác hơn, bảo trì rẻ hơn và dễ chế tạo hơn . Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm qua vật liệu và đo phản xạ và sự không liên tục để tìm ra các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc
Cụm quang học lấy nét siêu mịn
Áp điện là khả năng tích lũy điện tích của một số vật liệu khi chịu ứng suất cơ học. Đó là sự tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái điện và cơ của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Áp điện là một quá trình thuận nghịch, có nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng.
Áp điện đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh cũng như tạo ra điện áp cao. Áp điện cũng được sử dụng trong in phun, máy phát đồng hồ, thiết bị điện tử, cân vi mô, vòi phun siêu âm truyền động và cụm quang học lấy nét siêu mịn.
Áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie. Hiệu ứng áp điện được khai thác trong các ứng dụng hữu ích, chẳng hạn như sản xuất và phát hiện âm thanh cũng như tạo ra điện áp cao. In phun áp điện cũng được sử dụng, cũng như máy phát đồng hồ, thiết bị điện tử, cân vi lượng, vòi phun siêu âm truyền động và cụm quang học lấy nét siêu mịn.
Áp điện đã được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa điện để đốt cháy khí đốt cho các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa và vật liệu hiệu ứng nhiệt điện tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Hiệu ứng này đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, những người đã thừa nhận mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong Máy bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp của hai anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp với kiến thức về nhiệt điện và sự hiểu biết của họ về các cấu trúc tinh thể bên dưới, họ đã đưa ra dự đoán về hiện tượng hỏa điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh trong hiệu ứng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle.
Natri và kali tartrate tetrahydrat, thạch anh và muối Rochelle thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng, mặc dù sự thay đổi về hình dạng đã được phóng đại rất nhiều. Nhà Curies đã dự đoán hiệu ứng áp điện ngược, và hiệu ứng ngược lại được Gabriel Lippmann suy ra về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản vào năm 1881. Nhà Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về tính thuận nghịch hoàn toàn của điện áp. biến dạng cơ-đàn hồi trong tinh thể áp điện.
Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện bằng cách sử dụng phân tích tenxơ cho ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện.
Sự phát triển của sonar là một dự án thành công tạo ra sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện. Nhiều thập kỷ sau, các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho các vật liệu này đã được khám phá và phát triển. Các thiết bị áp điện tìm thấy ngôi nhà trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế máy nghe nhạc và làm cho máy ghi âm rẻ hơn, dễ bảo trì và chế tạo hơn. Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo độ phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm vào vật liệu và đo độ phản xạ cũng như độ không liên tục để tìm ra các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc, giúp cải thiện độ an toàn của kết cấu.
Sự khởi đầu của lĩnh vực lợi ích áp điện đã được đảm bảo bằng các bằng sáng chế có lợi nhuận của các vật liệu mới được phát triển từ các tinh thể thạch anh, được khai thác thương mại như một vật liệu áp điện. Các nhà khoa học đã tìm kiếm những vật liệu hiệu suất cao hơn, và mặc dù có những tiến bộ về vật liệu và sự trưởng thành của quy trình sản xuất, thị trường Hoa Kỳ đã không phát triển nhanh chóng. Ngược lại, các nhà sản xuất Nhật Bản đã chia sẻ thông tin một cách nhanh chóng và các ứng dụng mới cho sự phát triển trong ngành công nghiệp áp điện của Hoa Kỳ bị ảnh hưởng trái ngược với các nhà sản xuất Nhật Bản.
Động cơ áp điện
Trong phần này, tôi sẽ nói về cách áp điện được sử dụng trong công nghệ hiện đại. Từ kính hiển vi quét đầu dò có thể phân giải hình ảnh ở quy mô nguyên tử cho đến bộ thu âm dành cho đàn guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại, áp điện đã trở thành một phần không thể thiếu của nhiều thiết bị. Tôi sẽ khám phá lịch sử của áp điện và nó đã được sử dụng như thế nào trong nhiều ứng dụng.
Cơ sở hình thức của kính hiển vi thăm dò quét
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là phản ứng đối với ứng suất cơ học được áp dụng và từ áp điện xuất phát từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) có nghĩa là “bóp” hoặc “ấn” và ἤλεκτρον (ēlektron) có nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Động cơ áp điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo ra chuyển động. Hiệu ứng này là tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ về vật liệu tạo ra áp điện có thể đo được là tinh thể chì zirconate titanate.
Hiệu ứng áp điện được khai thác trong các ứng dụng hữu ích, chẳng hạn như sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng và truyền động vòi phun siêu âm cho các cụm quang học hội tụ siêu mịn. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử.
Áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie. Hình ảnh tinh thể áp điện và bộ bù Curie có thể được nhìn thấy tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland, đây là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp của hai anh em Pierre và Jacques Curie.
Kết hợp kiến thức của họ về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết của họ về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng nhiệt điện, cho phép họ dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri và kali tartrate tetrahydrat, thạch anh và muối Rochelle thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng, mặc dù điều này đã bị Curies phóng đại quá mức.
Họ cũng dự đoán hiệu ứng áp điện ngược, và điều này đã được Gabriel Lippmann suy ra về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản vào năm 1881. Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của đàn hồi điện. biến dạng cơ học trong tinh thể áp điện.
Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), trong đó mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và xác định nghiêm ngặt các hằng số áp điện và phân tích tensor.
Điều này dẫn đến ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện, chẳng hạn như sonar, được phát triển trong Thế chiến thứ nhất. Ở Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát ra xung tần số cao từ đầu dò. Bằng cách đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách của vật thể đó. Họ đã sử dụng áp điện để làm cho sonar này thành công, và dự án đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện trong nhiều thập kỷ.
Các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho các vật liệu này đã được khám phá và phát triển, đồng thời các thiết bị áp điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như hộp mực máy quay đĩa bằng gốm, giúp đơn giản hóa thiết kế máy nghe nhạc và tạo ra các máy ghi âm rẻ hơn, chính xác hơn, bảo trì rẻ hơn và dễ dàng hơn để xây dựng. Sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép dễ dàng đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo độ phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm vào vật liệu và đo độ phản xạ cũng như độ không liên tục để tìm ra các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc, giúp cải thiện độ an toàn của kết cấu.
Trong Thế chiến II, các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ
Giải quyết hình ảnh ở quy mô nguyên tử
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là một phản ứng đối với ứng suất cơ học được áp dụng và có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein', có nghĩa là ép hoặc ép. Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo.
Áp điện là một quá trình thuận nghịch, và các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ về điều này bao gồm các tinh thể titanate zirconate chì, tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo và được sử dụng trong việc tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra hiện tượng áp điện vào năm 1880. Hiệu ứng áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân bằng vi lượng và dẫn động vòi phun siêu âm. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử.
Áp điện cũng được sử dụng trong các ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa điện để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, là vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus và Franz Aepinus vào giữa thế kỷ 18. Dựa trên kiến thức của René Haüy và Antoine César Becquerel, họ thừa nhận mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích, nhưng các thí nghiệm của họ tỏ ra không thuyết phục.
Du khách đến Bảo tàng Hunterian ở Glasgow có thể xem bộ bù Curie tinh thể áp điện, một minh chứng về hiệu ứng áp điện trực tiếp của anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp với kiến thức về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản, họ đã đưa ra dự đoán về hiện tượng nhiệt điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri và kali tartrate tetrahydrat, thạch anh và muối Rochelle thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện tạo ra điện áp khi bị biến dạng, mặc dù sự thay đổi về hình dạng được phóng đại rất nhiều. Anh em nhà Curies đã có thể dự đoán hiệu ứng áp điện ngược, và hiệu ứng ngược được suy ra về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản của Gabriel Lippmann vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng nó là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể).
Pickup Guitar Khuếch Đại Điện Tử
Động cơ áp điện là động cơ điện sử dụng hiệu ứng áp điện để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Hiệu ứng áp điện là khả năng của một số vật liệu tạo ra điện tích khi chịu ứng suất cơ học. Động cơ áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ như đồng hồ đeo tay và đồng hồ đeo tay đến cung cấp năng lượng cho các máy lớn hơn như rô-bốt và thiết bị y tế.
Động cơ áp điện được sử dụng trong xe bán tải guitar khuếch đại điện tử. Những chiếc xe bán tải này sử dụng hiệu ứng áp điện để chuyển đổi các rung động của dây đàn guitar thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó được khuếch đại và gửi đến bộ khuếch đại, tạo ra âm thanh của đàn guitar. Pickup áp điện cũng được sử dụng trong trống điện tử hiện đại, nơi chúng được sử dụng để phát hiện các rung động của đầu trống và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.
Động cơ áp điện cũng được sử dụng trong kính hiển vi quét đầu dò, sử dụng hiệu ứng áp điện để di chuyển một đầu dò nhỏ trên bề mặt. Điều này cho phép kính hiển vi phân giải hình ảnh ở quy mô nguyên tử. Động cơ áp điện cũng được sử dụng trong máy in phun, nơi chúng được sử dụng để di chuyển đầu in qua lại trên trang.
Động cơ áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác, bao gồm các thiết bị y tế, linh kiện ô tô và điện tử tiêu dùng. Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như sản xuất các bộ phận chính xác và lắp ráp các bộ phận phức tạp. Hiệu ứng áp điện cũng được sử dụng trong việc tạo ra sóng siêu âm, được sử dụng trong chụp ảnh y tế và phát hiện các khuyết tật trong vật liệu.
Nhìn chung, động cơ áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ đến cung cấp năng lượng cho các máy lớn hơn. Chúng được sử dụng trong xe bán tải, guitar khuếch đại điện tử, trống điện tử hiện đại, kính hiển vi quét đầu dò, máy in phun, thiết bị y tế, linh kiện ô tô và điện tử tiêu dùng. Hiệu ứng áp điện cũng được sử dụng trong việc tạo ra sóng siêu âm và phát hiện các khuyết tật trong vật liệu.
Kích hoạt trống điện tử hiện đại
Áp điện là điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là phản ứng của các vật liệu này đối với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ áp điện có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “piezein”, có nghĩa là “ép hoặc ép”, và từ “elektron”, có nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Động cơ áp điện là thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo ra chuyển động. Hiệu ứng này là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa các trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình thuận nghịch, có nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Một ví dụ về điều này là các tinh thể titanate zirconate chì, tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, các tinh thể sẽ thay đổi kích thước tĩnh của chúng, tạo ra sóng siêu âm.
Động cơ áp điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như:
• Tạo tia lửa điện đốt cháy gas trong các thiết bị đun nấu, sưởi ấm
• Đuốc, bật lửa và vật liệu hiệu ứng hỏa điện
• Tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ
• Sản xuất và phát hiện âm thanh
• In phun áp điện
• Phát điện cao thế
• Máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử
• Cân bằng vi mô
• Truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học hội tụ siêu mịn
• Tạo thành cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò
• Giải quyết hình ảnh ở quy mô nguyên tử
• Pickup ghi-ta khuếch đại điện tử
• Kích hoạt trống điện tử hiện đại.
Mô hình cơ điện của đầu dò áp điện
Trong phần này, tôi sẽ khám phá mô hình cơ điện của bộ chuyển đổi áp điện. Tôi sẽ xem xét lịch sử phát hiện ra hiện tượng áp điện, các thí nghiệm chứng minh sự tồn tại của nó và sự phát triển của các thiết bị và vật liệu áp điện. Tôi cũng sẽ thảo luận về những đóng góp của các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie, Carl Linnaeus và Franz Aepinus, Rene Hauy và Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann và Woldemar Voigt.
Nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie
Áp điện là một hiện tượng cơ điện trong đó điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Điện tích này được tạo ra để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ 'áp điện' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein', có nghĩa là 'bóp hoặc ấn', và 'elektron', có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu có tính đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, trong đó việc tạo ra biến dạng cơ học bên trong được tạo ra để đáp ứng với điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, các tinh thể sẽ thay đổi kích thước tĩnh của chúng, tạo ra sóng siêu âm trong quá trình được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo.
Năm 1880, các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện và kể từ đó nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện cao thế, máy phát đồng hồ và thiết bị điện tử. các thiết bị như cân vi lượng và dẫn động vòi phun siêu âm cho các cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, có thể phân giải hình ảnh ở quy mô nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện cũng được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, trong đó một vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, đã được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus và Franz Aepinus vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Hauy và Antoine César Becquerel, người đã thừa nhận mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích, mặc dù các thí nghiệm của họ tỏ ra không thuyết phục.
Bằng cách kết hợp kiến thức về nhiệt điện với sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản, vợ chồng Curies đã có thể đưa ra dự đoán về hiện tượng hỏa điện và dự đoán hành vi của các tinh thể. Điều này đã được chứng minh trong hiệu ứng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrat tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện. Một đĩa áp điện tạo ra một hiệu điện thế khi bị biến dạng, mặc dù điều này đã được phóng đại rất nhiều trong phần trình diễn của Curies. Họ cũng có thể dự đoán hiệu ứng áp điện ngược và suy luận về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động cơ bản của Gabriel Lippmann vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong những thập kỷ sau đó, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm 'Lehrbuch der Kristallphysik' của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể).
Các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục
Áp điện là một hiện tượng điện cơ trong đó điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Đó là phản ứng đối với ứng suất cơ học được áp dụng và từ 'áp điện' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein', nghĩa là 'ép hoặc ép', và 'ēlektron', nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Đó là một quá trình có thể đảo ngược; các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra biến dạng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi áp dụng một điện trường bên ngoài, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo, được sử dụng trong quá trình tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra áp điện vào năm 1880. Kể từ đó, nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện cao thế, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng , truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò, có thể phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện được sử dụng hàng ngày trong việc tạo ra tia lửa để đốt cháy khí trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, trong đó vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Hauy và Antoine César Becquerel, người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục.
Kiến thức tổng hợp về hiện tượng hỏa điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng hỏa điện và khả năng dự đoán hành vi của các tinh thể. Điều này đã được chứng minh trong hiệu ứng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Điều này đã được phóng đại rất nhiều trong cuộc trình diễn của Curies về hiệu ứng áp điện trực tiếp.
Anh em Pierre và Jacques Curie đã dự đoán hiệu ứng áp điện ngược, và hiệu ứng ngược đã được Gabriel Lippmann suy luận về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản vào năm 1881. Anh em nhà Curie ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng của toàn bộ khả năng đảo ngược của biến dạng cơ điện đàn hồi trong tinh thể áp điện.
Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, nhưng nó là một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này đã mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện bằng cách sử dụng phân tích tenxơ. Đây là ứng dụng thực tế đầu tiên của bộ chuyển đổi áp điện và sonar được phát triển trong Thế chiến thứ nhất. Ở Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm.
Carl Linnaeus và Franz Aepinus
Áp điện là một hiện tượng cơ điện trong đó điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Điện tích này được tạo ra để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ áp điện xuất phát từ các từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) có nghĩa là “ép hoặc ấn” và ἤλεκτρον (ēlektron) có nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, đó là sự tạo ra lực căng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi áp dụng điện trường bên ngoài, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo và được sử dụng trong sản xuất sóng siêu âm.
Năm 1880, các nhà vật lý người Pháp Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện và kể từ đó nó đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện cao thế, máy phát đồng hồ, thiết bị điện tử, cân vi lượng. , truyền động vòi phun siêu âm và cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở để quét kính hiển vi thăm dò, được sử dụng để phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Áp điện cũng được tìm thấy trong các ứng dụng hàng ngày, chẳng hạn như tạo ra tia lửa điện để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, đèn pin, bật lửa và hiệu ứng nhiệt điện, đó là khi vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Hiệu ứng này đã được Carl Linnaeus và Franz Aepinus nghiên cứu vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của René Hauy và Antoine César Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích, mặc dù thí nghiệm của họ tỏ ra không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong bộ bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp của hai anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp kiến thức về nhiệt điện của họ với sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng hỏa điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrate tetrahydrat và thạch anh từ muối Rochelle thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện tạo ra điện áp khi bị biến dạng, mặc dù điều này đã được phóng đại rất nhiều trong phần trình diễn của Curies.
Dự đoán về hiệu ứng áp điện ngược và suy luận toán học của nó từ các nguyên lý nhiệt động cơ bản đã được Gabriel Lippmann đưa ra vào năm 1881. Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về tính thuận nghịch hoàn toàn của đàn hồi điện. biến dạng cơ học trong tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium bởi Pierre và Marie Curie, những người đã sử dụng nó để khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện. Đỉnh điểm của điều này là việc xuất bản Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện bằng cách sử dụng phân tích tensor.
Ứng dụng thực tế này của bộ chuyển đổi áp điện đã dẫn đến sự phát triển của sonar trong Thế chiến I. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát ra xung tần số cao từ đầu dò. Bằng cách đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách của vật thể đó. Họ đã sử dụng áp điện để làm cho sonar này thành công và dự án đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ và quan tâm đến các thiết bị áp điện
Rene Hauy và Antoine Cesar Becquerel
Áp điện là một hiện tượng điện cơ xảy ra khi một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA, tích tụ điện tích để đáp ứng với ứng suất cơ học. Áp điện có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp 'piezein', có nghĩa là 'ép hoặc ép', và 'elektron', có nghĩa là 'hổ phách', một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác điện cơ tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện hiệu ứng áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược hoặc tạo ra lực căng cơ học bên trong do điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi áp dụng điện trường bên ngoài, dẫn đến hiệu ứng áp điện ngược và tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện vào năm 1880. Hiệu ứng này đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng, vòi phun siêu âm dẫn động và cụm quang học lấy nét siêu mịn. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi đầu dò quét, có thể phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Áp điện cũng được sử dụng trong xe bán tải dành cho guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt cho trống điện tử hiện đại.
Hiệu ứng áp điện lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus và Franz Aepinus vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của Rene Hauy và Antoine Cesar Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục. Kết hợp với kiến thức về nhiệt điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản, điều này đã dẫn đến dự đoán về hiện tượng nhiệt điện và khả năng dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh trong hiệu ứng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle. Natri kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Hiệu ứng này đã được phóng đại rất nhiều trong cuộc trình diễn của Curies tại Bảo tàng Scotland, cho thấy hiệu ứng áp điện trực tiếp.
Hai anh em Pierre và Jacques Curie tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công trình này đã khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện, mà đỉnh cao là việc xuất bản Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể).
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược, và tiếp tục suy luận về mặt toán học các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản của hiệu ứng ngược. Điều này đã được thực hiện bởi Gabriel Lippmann vào năm 1881. Áp điện sau đó được sử dụng để phát triển sonar trong Thế chiến thứ nhất. Tại Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một bộ chuyển đổi làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang dội lại. Bằng cách phát ra một xung tần số cao từ đầu dò và đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vọng của sóng âm dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách tới vật thể.
Việc sử dụng các tinh thể áp điện đã được phát triển thêm bởi Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell sau Thế chiến II. Frederick R. Lack, làm việc trong bộ phận kỹ thuật điện thoại vô tuyến, đã phát triển một tinh thể cắt có thể hoạt động trong nhiều dải nhiệt độ. Pha lê của Thiếu không cần các phụ kiện nặng nề của các pha lê trước đó, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng nó trên máy bay. Sự phát triển này cho phép các lực lượng không quân Đồng minh tham gia vào các cuộc tấn công phối hợp hàng loạt, sử dụng đài phát thanh hàng không. Sự phát triển của các thiết bị và vật liệu áp điện ở Hoa Kỳ đã giúp các công ty tiếp tục phát triển những khởi đầu thời chiến trong lĩnh vực này và quan tâm đến việc đảm bảo các bằng sáng chế có lợi cho các vật liệu mới được phát triển. Các tinh thể thạch anh được khai thác thương mại như một vật liệu áp điện và các nhà khoa học đã tìm kiếm các vật liệu có hiệu suất cao hơn. Mặc dù có những tiến bộ về vật liệu và sự trưởng thành của quy trình sản xuất, Hoa Kỳ
Gabriel Lippmann
Áp điện là một hiện tượng điện cơ trong đó điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Nó là kết quả của sự tương tác giữa trạng thái cơ và điện trong vật liệu có tính đối xứng nghịch đảo. Áp điện lần đầu tiên được phát hiện bởi các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie vào năm 1880.
Áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện và tạo ra điện áp cao. Áp điện bắt nguồn từ các từ tiếng Hy Lạp πιέζειν (piezein) nghĩa là “ép hoặc ép” và ἤλεκτρον (ēlektron) nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, trong đó việc tạo ra biến dạng cơ học bên trong là kết quả của ứng dụng điện trường. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, một quá trình được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo. Quá trình này có thể được sử dụng để tạo ra sóng siêu âm.
Hiệu ứng áp điện đã được nghiên cứu từ giữa thế kỷ 18, khi Carl Linnaeus và Franz Aepinus, dựa trên kiến thức của René Hauy và Antoine César Becquerel, đặt ra mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và điện tích. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chứng minh không thuyết phục. Mãi cho đến khi kiến thức tổng hợp về hiện tượng nhiệt điện và sự hiểu biết về các cấu trúc tinh thể cơ bản dẫn đến dự đoán về hiện tượng hỏa điện mà các nhà nghiên cứu mới có thể dự đoán hành vi của tinh thể. Điều này đã được chứng minh bằng tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle.
Gabriel Lippmann, vào năm 1881, đã suy luận một cách toán học các nguyên lý nhiệt động cơ bản của hiệu ứng áp điện ngược. Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện.
Trong nhiều thập kỷ, áp điện vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium của Pierre và Marie Curie. Công việc của họ nhằm khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện lên đến đỉnh điểm trong ấn phẩm Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể). Điều này đã mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện bằng phép phân tích tenxơ.
Ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện bắt đầu với sự phát triển của sonar trong Thế chiến thứ nhất. Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một bộ chuyển đổi làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang dội lại. Bằng cách phát xung tần số cao từ đầu dò và đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vọng của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách đến vật thể. Việc sử dụng áp điện cho sonar này đã thành công và dự án đã tạo ra mối quan tâm phát triển mạnh mẽ đối với các thiết bị áp điện. Trong nhiều thập kỷ, các vật liệu áp điện mới và các ứng dụng mới cho các vật liệu này đã được khám phá và phát triển. Các thiết bị áp điện tìm thấy ngôi nhà trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ hộp quay đĩa bằng gốm giúp đơn giản hóa thiết kế đầu phát và làm cho máy ghi âm chính xác, giá rẻ, rẻ hơn để bảo trì và dễ chế tạo hơn, đến sự phát triển của đầu dò siêu âm cho phép đo độ nhớt và độ đàn hồi của chất lỏng một cách dễ dàng và chất rắn, dẫn đến những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu vật liệu. Máy đo phản xạ miền thời gian siêu âm gửi một xung siêu âm vào vật liệu và đo phản xạ cũng như sự không liên tục để tìm các lỗ hổng bên trong các vật thể bằng đá và kim loại đúc, giúp cải thiện độ an toàn của kết cấu.
Sau Thế chiến II, các nhóm nghiên cứu độc lập ở Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản đã phát hiện ra một loại vật liệu tổng hợp mới gọi là chất sắt điện thể hiện hằng số áp điện cao hơn gấp mười lần so với vật liệu tự nhiên. Điều này dẫn đến việc nghiên cứu mạnh mẽ để phát triển bari titanat, và sau đó là titanat zirconat chì, những vật liệu có đặc tính cụ thể cho các ứng dụng cụ thể. Một ví dụ quan trọng về việc sử dụng các tinh thể áp điện đã được phát triển
Woldemar Voigt
Áp điện là một hiện tượng điện cơ trong đó điện tích tích tụ trong một số vật liệu rắn, chẳng hạn như tinh thể, gốm sứ và vật chất sinh học như xương và DNA. Điện tích này được tạo ra để đáp ứng với ứng suất cơ học được áp dụng. Từ áp điện có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “piezein”, có nghĩa là “ép hoặc ép”, và “elektron”, có nghĩa là “hổ phách”, một nguồn điện tích cổ xưa.
Hiệu ứng áp điện là kết quả của sự tương tác cơ điện tuyến tính giữa trạng thái cơ và điện của vật liệu tinh thể có tính đối xứng nghịch đảo. Hiệu ứng này có thể đảo ngược, nghĩa là các vật liệu thể hiện tính áp điện cũng thể hiện hiệu ứng áp điện ngược, trong đó việc tạo ra biến dạng cơ học bên trong là kết quả của một điện trường ứng dụng. Ví dụ, các tinh thể chì zirconate titanate tạo ra áp điện có thể đo được khi cấu trúc tĩnh của chúng bị biến dạng so với kích thước ban đầu. Ngược lại, các tinh thể có thể thay đổi kích thước tĩnh của chúng khi một điện trường bên ngoài được áp dụng, một hiện tượng được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo, được sử dụng trong việc tạo ra sóng siêu âm.
Các nhà vật lý người Pháp Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra hiện tượng áp điện vào năm 1880. Kể từ đó, hiệu ứng áp điện đã được khai thác cho nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm sản xuất và phát hiện âm thanh, in phun áp điện, tạo ra điện áp cao, máy phát đồng hồ và các thiết bị điện tử như cân vi lượng và dẫn động vòi phun siêu âm để lấy nét siêu mịn cho các cụm quang học. Nó cũng là cơ sở của kính hiển vi quét đầu dò, có thể phân giải hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Ngoài ra, bộ thu trong guitar khuếch đại điện tử và bộ kích hoạt trong trống điện tử hiện đại sử dụng hiệu ứng áp điện.
Áp điện cũng được sử dụng hàng ngày trong việc tạo ra tia lửa để đốt cháy khí gas trong các thiết bị nấu ăn và sưởi ấm, trong đèn pin, bật lửa, v.v. Hiệu ứng nhiệt điện, trong đó vật liệu tạo ra điện thế để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, được nghiên cứu bởi Carl Linnaeus và Franz Aepinus vào giữa thế kỷ 18, dựa trên kiến thức của Rene Hauy và Antoine Cesar Becquerel, những người đã đặt ra mối quan hệ giữa cơ học. ứng suất và điện tích. Các thí nghiệm để chứng minh mối quan hệ này tỏ ra không thuyết phục.
Hình ảnh tinh thể áp điện trong bộ bù Curie tại Bảo tàng Hunterian ở Scotland là minh chứng cho hiệu ứng áp điện trực tiếp của hai anh em Pierre và Jacques Curie. Kết hợp kiến thức về nhiệt điện với sự hiểu biết về cấu trúc tinh thể cơ bản đã dẫn đến dự đoán về nhiệt điện, cho phép họ dự đoán hành vi tinh thể mà họ đã thể hiện trong tác dụng của các tinh thể như tourmaline, thạch anh, topaz, đường mía và muối Rochelle . Natri và kali tartrate tetrahydrat và thạch anh cũng thể hiện tính áp điện, và một đĩa áp điện được sử dụng để tạo ra điện áp khi bị biến dạng. Sự thay đổi hình dạng này đã được phóng đại rất nhiều trong cuộc biểu tình của Curies, và họ tiếp tục dự đoán hiệu ứng áp điện ngược. Hiệu ứng ngược được Gabriel Lippmann suy luận về mặt toán học từ các nguyên lý nhiệt động lực học cơ bản vào năm 1881.
Vợ chồng Curies ngay lập tức xác nhận sự tồn tại của hiệu ứng ngược lại, và tiếp tục thu được bằng chứng định lượng về khả năng đảo ngược hoàn toàn của các biến dạng cơ điện-đàn hồi trong các tinh thể áp điện. Trong những thập kỷ sau đó, áp điện vẫn là một vấn đề gây tò mò trong phòng thí nghiệm, cho đến khi nó trở thành một công cụ quan trọng trong việc khám phá ra polonium và radium bởi Pierre Marie Curie, người đã sử dụng nó để khám phá và xác định các cấu trúc tinh thể thể hiện tính áp điện. Đỉnh điểm của điều này là việc xuất bản Lehrbuch der Kristallphysik của Woldemar Voigt (Sách giáo khoa Vật lý tinh thể), mô tả các lớp tinh thể tự nhiên có khả năng áp điện và định nghĩa chặt chẽ các hằng số áp điện bằng cách sử dụng phân tích tensor.
Điều này dẫn đến ứng dụng thực tế của các thiết bị áp điện, chẳng hạn như sonar, được phát triển trong Thế chiến thứ nhất. Ở Pháp, Paul Langevin và đồng nghiệp của ông đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm. Máy dò này bao gồm một đầu dò làm bằng các tinh thể thạch anh mỏng được dán cẩn thận vào các tấm thép và một ống nghe dưới nước để phát hiện tiếng vang trở lại sau khi phát ra xung tần số cao từ đầu dò. Bằng cách đo thời gian cần thiết để nghe thấy tiếng vang của sóng âm thanh dội lại từ một vật thể, họ có thể tính toán khoảng cách tới vật thể đó. Họ đã sử dụng áp điện để làm cho sonar này thành công, và dự án đã tạo ra một sự phát triển và quan tâm mạnh mẽ.
Quan hệ quan trọng
- Thiết bị truyền động áp điện: Thiết bị truyền động áp điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Chúng thường được sử dụng trong chế tạo người máy, thiết bị y tế và các ứng dụng khác yêu cầu điều khiển chuyển động chính xác.
- Cảm biến áp điện: Cảm biến áp điện được sử dụng để đo các thông số vật lý như áp suất, gia tốc và độ rung. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và y tế, cũng như trong điện tử tiêu dùng.
- Áp điện trong tự nhiên: Áp điện là một hiện tượng xảy ra tự nhiên trong một số vật liệu nhất định và được tìm thấy trong nhiều sinh vật sống. Nó được sử dụng bởi một số sinh vật để cảm nhận môi trường của chúng và giao tiếp với các sinh vật khác.
Kết luận
Áp điện là một hiện tượng đáng kinh ngạc đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ sonar đến hộp quay đĩa. Nó đã được nghiên cứu từ giữa những năm 1800 và đã được sử dụng rất hiệu quả trong sự phát triển của công nghệ hiện đại. Bài đăng trên blog này đã khám phá lịch sử và ứng dụng của áp điện, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của hiện tượng này trong sự phát triển của công nghệ hiện đại. Đối với những người quan tâm đến việc tìm hiểu thêm về áp điện, bài đăng này là một điểm khởi đầu tuyệt vời.
Tôi là Joost Nusselder, người sáng lập Neaera và là một nhà tiếp thị nội dung, là người cha, và thích thử thiết bị mới với guitar với niềm đam mê của tôi và cùng với nhóm của mình, tôi đã tạo các bài viết blog chuyên sâu kể từ năm 2020 để giúp những độc giả trung thành với các mẹo ghi âm và ghi ta.
