Hiệu ứng áp điện là gì? Nguyên lý và ứng dụng trong thực tế

Hiệu ứng áp điện (còn gọi là hiệu ứng điện cực) là hiện tượng vật lý khi một vật liệu sinh ra điện áp dưới tác động của lực cơ học, hoặc ngược lại, biến đổi năng lượng điện thành dao động cơ học. Đây là nguyên lý quan trọng được ứng dụng trong nhiều thiết bị cảm biến, đầu đo, bộ phát sóng siêu âm và các hệ thống tự động hóa hiện đại.

Cùng Dianyo PowerGen khám phá chi tiết về hiện tượng áp điện, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng thực tế trong bài viết dưới đây!

I. Hiệu ứng áp điện

Khái niệm hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện (tiếng Anh: Piezoelectric Effect) là hiện tượng vật lý khi một số vật liệu như tinh thể hoặc gốm áp điện tạo ra điện áp khi chịu tác động cơ học như nén, uốn hoặc rung động. Ngược lại, khi tác dụng điện trường lên vật liệu này, nó sẽ biến dạng cơ học, được gọi là hiệu ứng áp điện ngược.

Hiệu ứng áp điện được hai nhà khoa học người Pháp Jacques và Pierre Curie phát hiện vào năm 1880 khi họ nhận thấy thạch anh sinh ra điện tích khi bị ép hoặc nén. Thuật ngữ “áp điện” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp piezein, nghĩa là “bóp” hoặc “ấn”, phản ánh đúng bản chất của hiện tượng này.

Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng áp điện

Một vật liệu áp điện điển hình gồm tinh thể hoặc gốm áp điện được đặt giữa hai điện cực kim loại.

Khi tác dụng lực cơ học lên vật liệu này, các ion trong cấu trúc tinh thể bị dịch chuyển, tạo ra sự phân cực điện tích giữa hai mặt điện cực sẽ sinh ra điện áp. Ngược lại, nếu đặt điện trường vào hai điện cực, cấu trúc tinh thể sẽ bị biến dạng cơ học đây là hiệu ứng áp điện ngược.

Hiệu ứng này giúp vật liệu áp điện hoạt động tương tự như một pin nhỏ, có khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện và ngược lại.

Ứng dụng của hiệu ứng áp điện

Nhờ đặc tính chuyển đổi năng lượng linh hoạt, hiệu ứng áp điện được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ và đời sống hiện đại:

• Cảm biến và đo lường: cảm biến áp suất, cảm biến rung, cảm biến siêu âm.

• Thiết bị âm thanh: micro, loa, tai nghe, bộ khuếch đại âm thanh.

• Công nghệ siêu âm và y tế: đầu dò siêu âm, thiết bị chẩn đoán.

• Công nghiệp và hàng hải: sonar, thiết bị dò tìm, bộ chuyển đổi sóng âm.

II. Hiệu ứng áp đảo

Hiệu ứng áp điện ngược là gì?

Hiệu ứng áp điện ngược (hay còn gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo – Inverse Piezoelectric Effect) là hiện tượng vật liệu áp điện bị biến dạng cơ học khi có điện trường tác dụng lên. Nếu hiệu ứng áp điện trực tiếp là quá trình chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng, thì hiệu ứng áp điện ngược thực hiện điều ngược lại: chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học.

Khi một điện áp được đặt lên vật liệu áp điện, các ion trong cấu trúc tinh thể bị dịch chuyển, khiến vật liệu đó co lại hoặc giãn nở. Cơ chế này cho phép tạo ra dao động hoặc sóng âm với độ chính xác cao, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật hiện đại.

Ứng dụng của hiệu ứng áp điện ngược

Hiệu ứng áp điện ngược được ứng dụng rộng rãi, dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu gồm:

• Loa áp điện và buzzer: tạo ra âm thanh trong các thiết bị điện tử, điện thoại di động, đồng hồ, thiết bị cảnh báo.

• Đầu dò siêu âm: phát và thu sóng siêu âm trong chẩn đoán y khoa.

• Thiết bị sonar: phát sóng âm dưới nước để xác định vật thể hoặc độ sâu.

• Bộ truyền động piezo: dùng trong robot, thiết bị quang học, van điều khiển chính xác và các hệ thống cần chuyển động vi mô.

Trong ngành máy phát điện công nghiệp, hiệu ứng áp điện ngược đang được nghiên cứu để thu hồi năng lượng từ rung động cơ học trong quá trình vận hành. Nguồn năng lượng này có thể được sử dụng để cấp điện cho cảm biến giám sát, thiết bị đo hoặc bộ điều khiển thông minh.

Các vật liệu áp điện phổ biến

Vật liệu áp điện là loại vật liệu không dẫn điện, có khả năng tạo điện áp khi chịu tác động cơ học và biến dạng khi chịu tác động điện trường. Chúng được chia thành hai nhóm chính:

Vật liệu tinh thể tự nhiên

Thạch anh (Quartz) là vật liệu áp điện tự nhiên đầu tiên được phát hiện có độ bền cao và tính ổn định tốt, tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp hơn so với vật liệu nhân tạo.

Vật liệu gốm sứ nhân tạo

• PZT (Lead Zirconate Titanate – Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O₃): là vật liệu áp điện có hiệu suất cao, tạo ra điện áp lớn khi chịu ứng suất cơ học được sử dụng rộng rãi trong đầu dò siêu âm, tụ điện gốm và các loại cảm biến công nghiệp.

• Bari Titanate (BaTiO₃): là vật liệu gốm có tính áp điện và sắt điện, được sử dụng nhiều trong tụ điện và bộ truyền động chính xác.

• Niobat Lithium (LiNbO₃): có khả năng chịu nhiệt tốt, độ bền cao, thường dùng trong các thiết bị quang học và hệ thống siêu âm.

Các vật liệu nhân tạo như PZT, Bari Titanate hay Niobat Lithium cho hiệu suất cao hơn nhiều so với thạch anh.

Ứng dụng hiệu ứng áp điện

Một trong những ứng dụng tiêu biểu và có ảnh hưởng lớn nhất của hiệu ứng này là hệ thống định vị âm thanh dưới nước – Sonar.

Sonar (Sound Navigation and Ranging) là công nghệ sử dụng sóng âm để phát hiện, xác định vị trí và khoảng cách của vật thể trong môi trường nước. Hệ thống này ra đời vào đầu thế kỷ XX do nhà phát minh Lewis Nixon sáng tạo, ban đầu nhằm mục đích phát hiện các tảng băng trôi trên biển.

Trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất, sonar nhanh chóng được ứng dụng để phát hiện tàu ngầm dưới nước và trở thành một bước tiến đột phá trong công nghệ quân sự. Ngày nay, sonar được sử dụng rộng rãi trong hàng hải, đánh bắt cá, điều hướng dưới nước và nghiên cứu khoa học biển.

Nguyên lý hoạt động của sonar liên quan trực tiếp đến hiệu ứng áp điện trực tiếp và hiệu ứng áp điện ngược.

• Máy phát sonar hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện ngược. Khi có điện áp tác động lên vật liệu áp điện, vật liệu này sẽ dao động và tạo ra sóng âm lan truyền trong nước.

• Khi sóng âm chạm vào vật thể, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại.

• Máy thu sonar sử dụng hiệu ứng áp điện trực tiếp để chuyển đổi sóng âm phản xạ thành tín hiệu điện.

• Các tín hiệu này sau đó được xử lý bởi hệ thống điện tử để tính toán khoảng cách và vị trí của vật thể, dựa trên thời gian truyền và nhận sóng.

Các ứng dụng khác của hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống như:

Hiệu ứng áp điện được ứng dụng trong các hệ thống đo lường, cảm biến và điều khiển chính xác. Cụ thể gồm:

- Cảm biến áp suất và rung động: Sử dụng vật liệu áp điện để chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện, phục vụ cho giám sát thiết bị, theo dõi độ rung, cảnh báo sớm hư hỏng trong máy móc hoặc dây chuyền sản xuất.

- Bộ truyền động (Actuator) và van điều khiển: Tạo chuyển động vi mô, giúp kiểm soát dòng chảy, áp suất và vị trí trong hệ thống tự động hóa.

- Đầu dò siêu âm kiểm tra vật liệu: Dựa vào hiệu ứng áp điện để phát và thu sóng siêu âm, giúp phát hiện khuyết tật, nứt gãy trong cấu trúc kim loại mà không cần phá hủy sản phẩm.

- Máy phát điện công nghiệp áp điện: Công nghệ này được nghiên cứu trong các hệ thống thu hồi năng lượng, tận dụng dao động từ máy móc công nghiệp để sạc pin cảm biến, thiết bị IoT hoặc hỗ trợ nguồn dự phòng.

Trong lĩnh vực y tế, hiệu ứng áp điện được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị chẩn đoán và điều trị như là đầu dò siêu âm y khoa, giúp hiển thị hình ảnh nội tạng và mô mềm với độ chính xác cao. 

Kết luận

Hiệu ứng áp điện là một hiện tượng vật lý có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực hiện đại – từ cảm biến đo lực, đầu dò siêu âm, linh kiện điện tử cho tới công nghệ năng lượng. 

Nhờ khai thác đúng tiềm năng của hiệu ứng áp điện, chúng ta có thể tạo ra những giải pháp công nghệ chính xác, bền bỉ và tiết kiệm năng lượng hơn. Liên hệ Dianyo PowerGen để khám phá thêm nhiều thông tin hữu ích khác