Cách tạo ra điện lực từ những tinh thể - Ashwini Bharathula

Xem toàn bộ bài học: http://ed.ted.com/lessons/how-to-squeeze-electricity-out-of-crystals-ashwini-bharathula

Nghe có vẻ như khoan học viễn tưởng, nhưng nếu bạn đè lên một tinh thế đường, nó sẽ thật sự tự sinh ra điện. Tinh thể đơn giản này có thể hành động như một nguồn năng lượng nhỏ do đường có hiệu ứng áp điện. Ashwini Bharathula giải thích cách vật áp điện biến ứng suất cơ học, như áp lực, sóng âm thanh và các dạng rung động khác thành điện lực, và ngược lại.

Bài học bởi Ashwini Bharathula, hoạt hình bởi Karrot Animation.

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?