Hiệu ứng áp điện là hiện tượng một số tinh thể, trong đó có thạch anh, sinh ra điện áp nhỏ trên bề mặt khi bị ép hoặc uốn, và ngược lại biến dạng rất nhẹ khi được đặt vào điện áp. Hiện tượng này có thật, được anh em Jacques và Pierre Curie mô tả năm 1880, và là lý do chiếc đồng hồ quartz trên tay bạn chạy đúng giờ.
Chính vì có thật nên nó thường được dẫn ra để chứng minh "thạch anh có năng lượng, phát ra rung động". Nhưng điều kiện để áp điện xảy ra rất cụ thể: phải có lực tác động hoặc mạch điện điều khiển, phải có điện cực để thu điện, và điện áp chỉ xuất hiện lúc lực thay đổi. Bài này giải thích hiện tượng thật, cách nó được dùng trong đời sống, và vì sao nó không nối được sang lời đồn về quả cầu hay vòng thạch anh.
Áp điện xảy ra thế nào bên trong tinh thể
Mạng tinh thể thạch anh được xây từ các khối tứ diện: một nguyên tử silic ở giữa, bốn nguyên tử oxy ở bốn góc. Các khối này nối với nhau thành chuỗi xoắn. Ở trạng thái bình thường, điện tích dương của silic và điện tích âm của oxy cân bằng nhau trong từng ô, nên tinh thể trung hoà.
Điều đặc biệt là thạch anh thuộc nhóm tinh thể không có tâm đối xứng. Khi bị ép theo một số hướng nhất định, các ion dịch đi một chút, tâm điện tích dương và tâm điện tích âm lệch khỏi nhau. Hàng tỉ ô lệch cùng chiều tạo nên điện tích trái dấu ở hai mặt tinh thể, tức một điện áp đo được. Bỏ lực ra, các ion trở về chỗ cũ, điện áp biến mất.
Chiều ngược lại cũng đúng: đặt điện áp lên hai mặt tinh thể, nó co hoặc giãn một lượng cực nhỏ. Hiện tượng ngược này được nhà vật lý Gabriel Lippmann dự đoán năm 1881 và anh em Curie xác nhận ngay sau đó. Chính chiều ngược mới là thứ làm nên đồng hồ: điện làm tinh thể rung, tinh thể rung lại sinh điện, hai chiều nuôi nhau thành một dao động đều.
Lưu ý quan trọng: hướng ép phải đúng trục tinh thể. Ép theo trục chính (trục c) thì thạch anh gần như không sinh điện áp; chỉ các hướng vuông góc mới cho hiệu ứng rõ.
Vì sao đồng hồ quartz chạy đúng giờ
Trong đồng hồ quartz có một miếng thạch anh nhỏ cắt thành hình âm thoa, kẹp giữa hai điện cực. Mạch điện đưa xung điện vào, miếng thạch anh rung ở đúng tần số riêng do kích thước và hướng cắt quyết định. Ở hầu hết đồng hồ đeo tay, tần số ấy là 32.768 lần mỗi giây, tức 2 mũ 15. Mạch chia đôi tần số đó 15 lần là ra đúng một nhịp mỗi giây để đẩy kim hoặc đổi số.
Thạch anh được chọn vì tần số dao động của nó rất ổn định, ít bị nhiệt độ làm lệch so với vật liệu khác, lại bền và rẻ. Đồng hồ quartz đầu tiên được các kỹ sư phòng thí nghiệm Bell ở Mỹ chế tạo năm 1927, to bằng cả tủ. Năm 1969, chiếc đồng hồ đeo tay quartz đầu tiên được bán ra ở Nhật. Từ đó tinh thể thạch anh có mặt trong điện thoại, máy tính, đài radio, mọi thiết bị cần một nhịp đếm thời gian.
Thạch anh trong các linh kiện ấy hầu hết không đào từ mỏ mà là thạch anh nuôi thuỷ nhiệt trong nồi áp suất, vì công nghiệp cần tinh thể sạch, đồng đều, đúng hướng. Viên đá trên bàn thờ hay trên cổ tay bạn chưa từng được cắt theo hướng nào để làm việc đó.
Áp điện trong đời sống: những chỗ bạn đã gặp mà không để ý
Áp điện không chỉ có ở thạch anh. Nhiều ứng dụng hiện nay dùng gốm áp điện nhân tạo vì cho điện áp lớn hơn. Một số chỗ quen thuộc:
- Bật lửa gas và bếp gas mồi bằng nút bấm: một búa nhỏ gõ vào khối gốm áp điện, sinh tia lửa điện vài nghìn vôn trong tích tắc. Khối này thường là gốm chì zirconat titanat, không phải thạch anh.
- Máy siêu âm trong bệnh viện: đầu dò chứa vật liệu áp điện vừa phát sóng siêu âm vừa nhận sóng dội lại.
- Loa rè nhỏ trong đồ chơi, chuông báo của lò vi sóng, máy giặt: đĩa áp điện rung khi có điện.
- Cảm biến rung, cảm biến gõ trong động cơ ô tô, cân điện tử loại nhỏ.
- Bộ dao động thạch anh trên bo mạch máy tính, điện thoại, đầu thu truyền hình: chính là ứng dụng của chiều ngược.
- Bể rửa siêu âm dùng làm sạch trang sức: đĩa áp điện rung tạo bọt li ti trong nước.
Điểm chung của tất cả: vật liệu áp điện luôn được nối với điện cực và mạch điện, và chỉ làm việc khi có lực hoặc điện áp đưa vào. Không có ứng dụng nào dùng một khối tinh thể để yên tự phát ra điện liên tục.
Đồng hồ quartz khác quả cầu thạch anh ở đâu
So sánh dưới giúp thấy vì sao hiện tượng có thật trong đồng hồ không chuyển sang được món đá trang trí.
| Yếu tố | Tinh thể trong đồng hồ | Quả cầu, vòng hạt thạch anh |
|---|---|---|
| Hướng cắt | Cắt chính xác theo trục tinh thể | Mài tròn, các trục lẫn lộn theo mọi hướng |
| Điện cực | Có, mạ kim loại hai mặt | Không có, điện tích không đi đâu được |
| Nguồn kích | Pin đưa xung điện liên tục | Không có lực hay điện đều đặn tác động |
| Điện áp sinh ra | Nhỏ, đều, được mạch đọc và khuếch đại | Khi lỡ va đập: thoáng qua, tự triệt tiêu |
| Nguồn tinh thể | Thạch anh nuôi, sạch, đồng nhất | Thạch anh mỏ, nhiều vết nứt, song tinh |
| Tác động tới người | Không có | Chưa có phép đo nào ghi nhận |
Thêm một điểm ít ai nói: nhiều thạch anh tự nhiên, nhất là thạch anh tím, có cấu trúc song tinh — các vùng tinh thể đan xen theo chiều ngược nhau. Điện tích ở vùng này triệt tiêu điện tích vùng kia, khiến hiệu ứng tổng càng yếu.
Anh em Curie tìm ra áp điện như thế nào, và tourmaline góp phần gì
Câu chuyện khám phá áp điện cho thấy nó là một tính chất rất cụ thể, được tìm bằng thí nghiệm cẩn thận chứ không phải trực giác. Năm 1880, Jacques Curie và em trai Pierre Curie (người sau này cùng vợ là Marie Curie nghiên cứu phóng xạ) làm việc với các tinh thể không đối xứng như thạch anh, tourmaline, muối Rochelle. Họ đặt tinh thể giữa hai lá kim loại, ép bằng quả cân và đo điện tích xuất hiện bằng một điện kế nhạy. Kết quả lặp lại được: lực càng lớn, điện tích càng nhiều, và chỉ xuất hiện theo những hướng nhất định của tinh thể.
Họ không bắt đầu từ con số không. Từ trước đó, người châu Âu đã biết tourmaline có một tính lạ: hơ nóng thì nó hút tro và mẩu giấy vụn. Thương nhân Hà Lan mang tourmaline từ Sri Lanka về từng gọi nó bằng một cái tên mang nghĩa "cái hút tro". Đó là hiệu ứng nhiệt điện, anh em họ của áp điện: tinh thể đổi nhiệt độ thì hai đầu tích điện trái dấu. Anh em Curie suy ra rằng nếu nhiệt làm tinh thể giãn và sinh điện, thì lực ép cũng có thể làm điều tương tự — và họ đã chứng minh được.
Gần bốn mươi năm sau, trong Thế chiến thứ nhất, nhà vật lý Pháp Paul Langevin dùng tinh thể thạch anh để phát và thu sóng siêu âm dưới nước, mở đường cho máy dò tàu ngầm và sau này là sonar. Rồi bộ dao động thạch anh ra đời, rồi đồng hồ quartz. Mỗi bước đều là kỹ thuật đo đạc, cắt gọt, mạch điện — thứ có thể kiểm tra lại ở bất cứ phòng thí nghiệm nào.
Ba lời đồn hay dựa vào áp điện
"Thạch anh phát ra điện nên chữa được bệnh." Điện áp áp điện chỉ sinh khi tinh thể bị ép, kéo dài một khoảnh khắc và không có đường dẫn vào cơ thể. Cơ thể người tiếp xúc với những dòng tĩnh điện lớn hơn thế mỗi khi cởi áo len. Không có bằng chứng nào cho thấy đeo thạch anh tạo ra dòng điện có ích.
"Thạch anh khuếch đại năng lượng, như trong máy radio." Trong radio, thạch anh không khuếch đại gì; nó giữ tần số ổn định để máy bắt đúng đài. Phần khuếch đại do transistor và nguồn điện đảm nhiệm. Thời radio galena, viên "đá" dùng để tách sóng là galena hoặc pyrite, không phải thạch anh, và vẫn cần ăng-ten, cuộn dây, tai nghe.
"Thạch anh rung ở tần số riêng nên đồng bộ với cơ thể." Tần số 32.768 lần mỗi giây là tần số của một miếng cắt theo kích thước cụ thể khi có mạch điện nuôi. Quả cầu thạch anh không được nuôi bởi mạch nào nên không rung đều. Và cơ thể không có bộ phận nào "bắt sóng" một khối đá đặt gần.
Một hiện tượng đẹp khác của thạch anh: tia sáng khi cọ xát
Nếu bạn muốn thấy thạch anh "làm" một điều kỳ lạ có thật, hãy thử trong phòng tối: cầm hai viên cuội thạch anh trắng cọ mạnh hoặc gõ vào nhau. Bạn có thể thấy những chớp sáng vàng cam nhỏ ở chỗ tiếp xúc. Hiện tượng này gọi là phát quang do ma sát. Cơ chế còn được nghiên cứu, nhưng các giải thích chính liên quan tới việc bề mặt tinh thể bị phá vỡ, điện tích tách ra và phóng điện li ti qua không khí, cộng với nhiệt cục bộ.
Ghi chú an toàn khi thử: dùng cuội thạch anh rẻ, không dùng món đá quý của mình; đeo kính bảo hộ vì có thể văng mảnh; không mài, không đập vụn vì bụi thạch anh mịn hít vào lâu ngày gây hại phổi — người thợ mài đá phải dùng nước và khẩu trang chuyên dụng chính vì vậy.
Thí nghiệm nhỏ này cho thấy thạch anh tự nó đã đủ thú vị. Những gì nó làm được — sinh điện khi bị ép, giữ nhịp cho đồng hồ, loé sáng khi cọ xát — đều đo được, lặp lại được, và giải thích được. Bạn không cần thêm lời đồn để thấy nó đáng quý.
Câu hỏi thường gặp
Đeo vòng thạch anh có sinh ra điện khi cử động tay không?
Về lý thuyết, va chạm có thể tạo điện tích cực nhỏ trên bề mặt hạt, nhưng điện tích này tự triệt tiêu ngay, không có điện cực để thu và nhỏ hơn rất nhiều so với tĩnh điện từ quần áo. Không có tác động nào lên cơ thể đã được ghi nhận.
Thạch anh trong đồng hồ có phải thạch anh tự nhiên không?
Hầu hết là thạch anh nuôi thuỷ nhiệt trong nồi áp suất, vì công nghiệp cần tinh thể sạch, không song tinh, cắt được đúng hướng với số lượng lớn. Về thành phần nó vẫn là SiO₂ như thạch anh mỏ, chỉ khác nguồn gốc.
Ngoài thạch anh còn khoáng vật nào có tính áp điện?
Tourmaline có cả tính áp điện lẫn nhiệt điện, nghĩa là sinh điện khi bị ép và khi nóng lên hay nguội đi. Muối Rochelle, một số khoáng vật khác cũng có. Nhưng phần lớn ứng dụng hiện đại dùng gốm áp điện nhân tạo vì cho hiệu ứng mạnh hơn nhiều.
Đá thạch anh tím, thạch anh hồng có áp điện như thạch anh trắng không?
Cùng là SiO₂ nên về nguyên tắc đều có tính áp điện. Tuy vậy thạch anh tím hay có song tinh dày đặc và thạch anh hồng thường là khối nhiều hạt, các vùng tinh thể định hướng khác nhau làm hiệu ứng tổng yếu đi. Không loại nào phát điện liên tục.
Có thể dùng thạch anh tự nhiên làm pin không?
Không. Áp điện không phải nguồn điện liên tục; nó chỉ chuyển cơ năng thành điện năng ngay lúc bị tác động, với công suất rất nhỏ. Các thiết bị thu năng lượng từ rung động có tồn tại trong kỹ thuật nhưng dùng gốm áp điện và mạch tích trữ chuyên dụng.
Vì sao người bán hay nhắc đồng hồ quartz khi giới thiệu đá?
Vì đó là ví dụ có thật, dễ hiểu và nghe thuyết phục. Nhưng điều kiện để thạch anh trong đồng hồ hoạt động — cắt đúng trục, có điện cực, có pin — không có ở món đá trang trí. Dẫn ví dụ đúng để đi tới kết luận không đúng là kiểu lập luận nên đọc kỹ.