Đây là một tinh thể của đường.
Nếu bạn ấn lên nó, nó sẽ tự phát điện.
Làm thế nào tinh thể đơn này có thể hành động như một nguồn điện nhỏ?
Bởi vì đường có hiệu ứng áp điện.
Vật áp điện biến ứng suất cơ học,
như áp lực,
sóng âm thanh,
hay các rung động khác
thành điện lực và ngược lại.
Hiện tượng kì lạ này được phát hiện lần đầu
vào năm 1880 bởi nhà vật lý học Pierre Curie và anh trai mình Jacques.
Họ khám phá rằng nếu họ ép những miếng mỏng của một vài tinh thể bất kỳ,
điện tích dương và âm sẽ xuất hiện trên bề mặt đối diện.
Sự khác nhau về điện tích, hay điệp áp này,
có nghĩa là mảnh tinh thể bị ép có thể dẫn điện đi qua mạch điện,
như một cục pin vậy.
Và nó còn hoạt động theo chiều ngược lại nữa.
Dẫn điện đi qua những tinh thể này làm cho nó biến dạng.
Cả hai kết quả này,
biến cơ năng thành điện năng,
và biến điện năng thành cơ năng,
rất đáng khâm phục.
Nhưng phát kiến trên đã không được biết đến trong suốt vài thập kỷ.
Ứng dụng thực tế đầu tiên nằm trong các thiết bị định vị thuỷ âm
được dùng để phát hiện tàu ngầm Đức trong chiến tranh thế giới thứ nhất.
Tinh thể thạch anh áp điện trong máy phát sóng âm
rung lên khi chúng gặp dòng điện xoay chiều.
Điều này truyền đi sóng siêu âm dưới mặt nước.
Đo lường việc các đợt sóng này mất bao lâu để nảy lại từ vật thể
cho biết vật đó nằm cách ta bao xa.
Còn với sự chuyển đổi ngược lại,
biến cơ năng thành điện năng,
hãy nghĩ đến cái đèn mà bật sáng khi bạn vỗ tay.
Vỗ tay truyền đi những rung động âm thanh trong không khí
và khiến cho các phần tử áp lực bị bẻ cong tới lui.
Điều này tạo ra điện áp đủ sức dẫn điện thắp sáng bóng đèn LED,
tuy vậy, chính nguồn điện thông thường mới giữ cho chúng sáng được.
Vậy thì điều gì nào khiến cho một vật có hiệu ứng áp điện?
Câu trả lời phụ thuộc vào hai yếu tố:
cấu trúc nguyên tử của vật thể,
và cách dòng điện được phân bổ trong nó.
Có rất nhiều vật liệu kết tinh,
có nghĩa chúng được làm từ nguyên tử và ion
được sắp xếp có trật tự theo mô hình không gian ba chiều.
Mô hình đó có một khối hợp nhất gọi là đơn vị tế bào
lặp đi lặp lại.
Trong hầu hết những vật kết tinh không áp điện,
nguyên tử trong các đơn vị tế bào được phân bổ đối xứng với nhau
xung quanh trung điểm.
Nhưng một số vật liệu kết tinh không có tâm đối xứng
làm cho chúng có khả năng áp điện.
Hãy cùng quan sát thạch anh,
một vật liệu áp điện được cấu thành từ silic và ôxy.
Ôxy có một lượng điện âm nhỏ còn silic có một lượng điện dương nhỏ,
gây ra sự tách rời điện tích,
hoặc sự lưỡng cực theo từng mối liên kết.
Thông thường, các lưỡng cực này triệt tiêu lẫn nhau,
nên không có sự tách rời thực của điện tích trong đơn vị tế bào.
Nhưng nếu tinh thể thạch anh bị nén theo một hướng nhất định,
các nguyên tử sẽ di chuyển vị trí.
Do tính không đối xứng trong việc phân bổ điện tích,
sự lưỡng cực không còn tự triệt tiêu lẫn nhau nữa.
Cuối cùng, tế bào bị kéo giãn có điện tích âm toàn phần ở một mặt
và điện tích dương toàn phần ở mặt kia.
Sự mất cân bằng điện tích này được lặp lại xuyên suốt vật thể,
và điện tích ngược dấu tập hợp trên các bề mặt đối diện của tinh thế.
Điều này dẫn đến kết quả là một điện áp mà có thể dẫn điện đi qua mạch điện.
Vật áp điện có thể có những cấu trúc khác nhau.
Nhưng điểm chung của chúng là các đơn vị tế bào không có tâm đối xứng.
Và vật áp điện bị nén chặt bao nhiêu,
thì lượng điện áp sinh ra càng lớn bấy nhiêu.
Thay vào đó, kéo giãn tinh thế ra và điệp áp sẽ đổi hướng,
làm dòng điện chạy ngược lại.
Có nhiều vật liệu mang hiệu ứng áp điện hơn là bạn nghĩ đấy.
DNA,
xương,
và lụa
tất cả đều có khả năng biến cơ năng thành điện năng.
Các nhà khoa học đã tạo ra đủ loại vật liệu áp điện nhân tạo
và tìm ra những ứng dụng của chúng trong mọi thứ từ tạo xạ hình y tế
đến máy in phun.
Hiện tượng áp điện chịu trách nhiệm cho sự dao động nhịp nhàng
của những tinh thể thạch anh mà giữ cho đồng hồ chạy đúng giờ,
loa của thiệp sinh nhật phát nhạc,
và tia lửa đốt cháy khí ga trong các bật lửa vỉ nướng
khi bạn bật công tắc.
Và những thiết bị áp điện có thể trở nên ngày càng phổ biến hơn
do nhu cầu điện năng cao còn cơ năng thì thừa thãi.
Đã xuất hiện những trạm xe lửa dùng tiếng bước chân hành khách
để cấp điện cho cổng soát vé và bảng hiển thị
và một hộp đêm nơi sự áp điện giúp thắp sáng các bóng đèn.
Liệu các cầu thủ bóng rổ chạy tới lui có thể cấp điện cho bảng điểm?
Hay liệu bước đi ngoài đường có thể sạc các thiết bị điện tử của bạn?
Điều tiếp theo dành cho hiện tượng áp điện là gì?