Kể từ thời điểm đó mọi người phát hiện ra rằng các nguồn tạo năng lượng đáng tin cậy nhất sẽ đi đến chỗ tuyệt chủng và chúng ta sẽ thiếu nó sau vài thập kỷ hoặc lâu hơn và trái đất sẽ trở thành một nơi không có Điện. Và hãy tưởng tượng nếu điều đó xảy ra thì tất cả những hệ thống và công nghệ mà chúng ta phụ thuộc rất nhiều sẽ ngừng hoạt động. Quan trọng nhất là INTERNET sẽ dừng mãi mãi! Và đó sẽ là một cú đánh lớn. Vì vậy, ngay cả trước khi họ nhận ra tầm quan trọng của Internet, ngay cả trước khi nó thực sự tồn tại hoặc thậm chí trước khi Internet trở thành một công nghệ là trung tâm của mọi sự phát triển công nghệ, họ đã bắt đầu làm việc cho các nguồn năng lượng thay thế.
Nhiều nguồn thay thế đã trở thành Nhà máy Phát điện chính thức và trong khi một số vẫn đang ở trong Phòng thí nghiệm để thử nghiệm tiềm năng và ứng dụng của chúng trong thực tế. Trong số các nguồn năng lượng thay thế này, một nguồn chưa bước vào ngành công nghiệp phát điện chính thức là Áp điện hoặc Điện từ Tinh thể áp điện.
Tinh thể áp điện là gì?
Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi hai nhà vật lý người Pháp, anh em Pierre và Paul-Jacques Curie, trong tinh thể Thạch anh, tourmaline và muối Rochelle (kali natri tartrat). Họ lấy tên từ tiếng Hy Lạp “Piezein ”, có nghĩa là “Nhấn ”.
Các tinh thể tích điện khi bị nén, xoắn hoặc biến dạng được gọi là áp điện. Điều này mang lại hiệu ứng chuyển đổi tiện lợi giữa các dao động điện và cơ học.
Thạch anh thể hiện đặc tính này và cực kỳ ổn định. Khi một ngoại lực tác động lên tinh thể thạch anh, sẽ có sự thay đổi điện áp được tạo ra trên bề mặt. Sự thay đổi này được đo bằng giá trị tương ứng của âm thanh hoặc độ rung.
Áp điện là gì?
Bóp một số tinh thể (chẳng hạn như thạch anh) và bạn có thể tạo ra dòng điện chạy qua chúng. Điều ngược lại cũng thường đúng:nếu bạn truyền điện qua cùng một tinh thể, chúng sẽ “tự ép mình” bằng cách dao động qua lại.
Về mặt kỹ thuật:
“Áp điện (còn gọi là hiệu ứng áp điện) là sự xuất hiện của một điện thế (hay nói cách khác là điện áp) trên các mặt của tinh thể khi bạn đặt nó dưới áp lực cơ học (bằng cách ép nó).”
Hiệu ứng áp điện được tạo ra như thế nào?
Để tạo ra Hiệu ứng áp điện, một tinh thể thạch anh tự nhiên phải được cắt theo hình dạng của một tấm mỏng hình chữ nhật hoặc hình bầu dục có độ dày đồng đều. Mỗi tinh thể có ba bộ trục – Trục quang học, ba trục điện OX1, OX2 và OX3 với nhau 120 độ và ba trục cơ học OY1, OY2 và OY3 cũng ở 120 độ với nhau. Các trục cơ học sẽ vuông góc với các trục điện. Một số tham số quyết định bản chất của tinh thể cho ứng dụng là:
- Góc mà tấm wafer được cắt từ tinh thể thạch anh tự nhiên
- Độ dày tấm
- Kích thước của tấm
- Phương tiện gắn kết
Nếu ứng suất điện được đặt theo hướng của trục điện (trục X), thì biến dạng cơ học được tạo ra theo hướng của trục Y, vuông góc với trục X có liên quan. Tương tự, nếu một biến dạng cơ học được cung cấp dọc theo trục Y, các điện tích sẽ được tạo ra trên các mặt của tinh thể, vuông góc với trục X và vuông góc với trục Y.
Cũng nên đọc: IoT có phải là giải pháp thông minh để bảo tồn tài nguyên thiên nhiên không?
Hiệu ứng áp điện ngược
Hiệu ứng áp điện có thể đảo ngược, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo. Điều này được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp để làm cho tinh thể áp điện co lại hoặc giãn ra. Sử dụng hiệu ứng áp điện ngược có thể giúp phát triển các thiết bị phát và tạo ra sóng âm thanh. Ví dụ về thiết bị âm thanh áp điện là loa (thường thấy trong các thiết bị cầm tay) hoặc còi.
Ưu điểm của áp điện
- Đáp ứng tần số cao – Chúng cung cấp đáp ứng tần số rất cao, nghĩa là có thể dễ dàng cảm nhận được sự thay đổi của tham số ở tốc độ rất cao.
- Đáp ứng tức thời cao – Bộ chuyển đổi áp điện có thể phát hiện các sự kiện tính bằng micrô giây và cũng đưa ra đầu ra tuyến tính.
- Công suất cao – Chúng cung cấp công suất cao được đo trong mạch điện tử.
- Kích thước nhỏ – Đây là những thiết bị có kích thước rất nhỏ gọn và có kết cấu chắc chắn, bền chắc.
- Barium titanate và thạch anh có thể được tạo ra ở bất kỳ hình dạng và hình dạng mong muốn nào. Nó cũng có hằng số điện môi lớn. Có thể chọn trục tinh thể bằng cách định hướng hướng.
Nhược điểm của áp điện
- Đầu ra thấp – Đầu ra thu được từ bộ chuyển đổi áp điện thấp, do đó mạch điện tử bên ngoài phải được kết nối.
- Vì thiết bị hoạt động với điện tích nhỏ nên chúng cần cáp trở kháng cao cho giao diện điện.
- Độ ẩm tương đối tăng trên 85% hoặc giảm xuống dưới 35%, sản lượng của nó sẽ bị ảnh hưởng. Nếu vậy, nó phải được phủ bằng sáp hoặc vật liệu polyme.
- Tạo hình – Rất khó để tạo hình dạng mong muốn cho tinh thể với đủ độ bền.
- Không thích hợp để đo trong điều kiện tĩnh. Đầu ra có thể thay đổi tùy theo sự thay đổi nhiệt độ của tinh thể.
Ví dụ về bộ chuyển đổi áp điện
- Thạch anh
- Muối Rochelle
- Titanium bari phân cực
- Amoni Di-hydro
- Liti sunfat
- Etylene Diamine Tartrate
- Collagen trong xương cũng là một chất áp điện
- Đường thường
Có đủ loại tình huống mà chúng ta cần chuyển đổi năng lượng cơ học (áp suất hoặc chuyển động nào đó) thành tín hiệu điện hoặc ngược lại. Đầu dò áp điện là thiết bị hoàn hảo được sử dụng để chuyển đổi. Những bộ chuyển đổi này đã được đưa vào nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta như được liệt kê dưới đây:
- Trong thiết bị siêu âm, một bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổi năng lượng điện thành các rung động cơ học cực nhanh – trên thực tế, nhanh đến mức nó tạo ra âm thanh, nhưng âm thanh quá cao để tai chúng ta có thể nghe được. Những rung động siêu âm này có thể được sử dụng để quét, làm sạch và tất cả những thứ khác.
- Do đáp ứng tần số tuyệt vời của nó, nó thường được sử dụng làm máy đo gia tốc, trong đó đầu ra theo thứ tự (1-30) mV trên mỗi trọng lực của gia tốc.
- Các bộ chuyển đổi áp điện hữu ích hơn cho các phép đo động, tức là các thông số đang thay đổi với tốc độ nhanh. Điều này là do điện thế được phát triển trong các điều kiện tĩnh không được giữ bởi nhạc cụ. Thus piezoelectric crystals are primarily used measurement of quantities like surface roughness, and also in accelerometers and vibration pickups.
- The automotive companies used piezoelectric transducers to detect detonations in the engine blocks.
To use this technology for power generation in full-fledged way the experiments are still going on. Well in the next blog we would discuss about some possible uses that we can have of the piezoelectric crystals to generate energy at our homes.