Hiệu ứng áp điện trực tiếp được anh em nhà Curie phát hiện vào năm 1880. Họ chỉ ra rằng khi đặt một vật nặng lên tinh thể thạch anh, trên bề mặt tinh thể xuất hiện một điện tích và lượng điện tích tỷ lệ với khối lượng của vật nặng. Năm 1881, hiệu ứng áp điện nghịch đảo được minh họa bằng đồ thị; Khi đặt một hiệu điện thế vào tinh thể, tinh thể bị biến dạng do sự biến dạng của mạng tinh thể gây ra bởi hiệu ứng áp điện. Khi điện áp được đảo ngược, biến dạng cũng được đảo ngược. Do đó, hiệu ứng áp điện đóng vai trò là mối ghép giữa mạch và cơ tính của tinh thể. Trong điều kiện thích hợp, a" tốt" cộng hưởng áp điện có thể ổn định tần số của mạch dao động. Trong số 32 loại tinh thể, 20 loại có hiệu ứng áp điện (nhưng trong số 20 loại, chỉ có một số là hữu ích). Tinh thể áp điện không có tâm đối xứng. Khi lực làm biến dạng mạng tinh thể, trọng tâm của các điện tích âm và dương trong tinh thể có thể bị tách ra để tạo ra các điện tích bề mặt.

Định nghĩa

Hiệu ứng khi tác dụng lực lên vật sinh ra điện được gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ngược lại, khi tác dụng hiệu điện thế lên vật  thì xuất hiện lực cơ làm vật biến dạng; đó là hiệu ứng áp điện nghịch. Trong tiếng Anh, tính áp điện là piezoelectric, trong đó “piezo” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp piezein có nghĩa là ép (nén) hay làm co lại.

Trong tự nhiên có một số vật liệu có tính áp điện, điển hình là tinh thể thạch anh (quartz). Danh từ quartz thường đi đôi với đồng hồ điện tử phổ biến hiện nay vì liên quan trực tiếp đến hiện tượng áp điện. Con người cũng đã tạo ra các vật liệu áp điện nhân tạo dạng gốm, khi chịu tác dụng của điện thế có thể thay đổi kích thước (giãn hoặc co) đến khoảng 0,1% so với kích thước ban đầu. Loại gốm áp điện tốt nhất hiện nay là gốm PZT (P: chì Pb, Z: zirconi Zr, T: titan Ti).

Trong các vật liệu áp điện, khi không có lực tác dụng, cấu trúc ô mạng có tâm của các ion dương và ion âm trùng nhau nên không mang phân cực điện. Khi có lực tác dụng, ô mạng bị biến dạng theo các chiều khác nhau, làm cho tâm các ion lệch nhau và tạo thành một lưỡng cực điện. Một lưỡng cực được đặc trưng bởi vectơ phân cực điện P, với độ lớn p=q*r, trong đó q là điện tích và r là khoảng cách giữa hai điện tích. Nhiều lưỡng cực nhỏ có vectơ phân cực song song cùng chiều tạo nên một miền gồm nhiều ô mạng, gọi là miền điện Weiss, với vectơ phân cực tổng hợp bằng tổng của các vectơ phân cực thành phần.

Nhiều tính chất của vật liệu áp điện được giải thích dựa trên tính chất của các miền điện Weiss, tương tự như cách giải thích tính chất từ của vật liệu từ dựa trên các miền từ. Tinh thể và gốm áp điện có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống: tạo tia lửa điều khiển cháy nổ, chế tạo bộ dao động chuẩn, làm đồng hồ, chế tạo động cơ và bộ điều khiển chuyển động chính xác, làm kính hiển vi, và đặc biệt là nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghệ nano.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý của hiệu ứng áp điện là nếu tác dụng áp lên vật liệu áp điện, nó sẽ tạo ra hiệu điện thế (gọi là hiệu ứng áp điện thuận), ngược lại, nếu đặt một hiệu điện thế, nó sẽ tạo ra ứng suất cơ học (gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo). Nếu áp suất là một dao động tần số cao, nó sẽ tạo ra một dòng điện tần số cao. Khi tín hiệu điện tần số cao được áp dụng cho gốm áp điện, tín hiệu âm thanh tần số cao (rung động cơ học) được tạo ra, mà ta thường gọi là sóng siêu âm. Nói cách khác, gốm áp điện có chức năng chuyển đổi và biến đổi nghịch đảo giữa năng lượng cơ học và năng lượng điện, và sự tương ứng lẫn nhau này rất thú vị.

Vật liệu áp điện có thể tạo ra điện trường do biến dạng cơ học, hoặc biến dạng cơ học do tác dụng của điện trường. Hiệu ứng ghép cơ–điện này làm cho vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Ví dụ, vật liệu áp điện đã được sử dụng để chế tạo các cấu trúc thông minh. Ngoài khả năng tự mang theo, các cấu trúc như vậy còn có các chức năng như tự chẩn đoán, tự thích ứng và tự sửa chữa, sẽ đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế máy bay trong tương lai.

Hiệu ứng

Hiệu ứng áp điện bao gồm hai hiệu ứng chính: hiệu ứng áp điện thuận (hay hiệu ứng áp điện trực tiếp) và hiệu ứng áp điện nghịch (hay hiệu ứng áp điện đảo).

1. Hiệu ứng áp điện thuận

Khi một vật liệu áp điện bị nén hoặc kéo giãn, sự thay đổi ứng suất cơ học σ gây ra sự phân cực điện P bên trong vật liệu, tạo ra điện áp V trên bề mặt của nó. Độ lớn của điện áp tạo ra tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng. Điều này có thể được biểu diễn bằng phương trình:

P=dσ

Trong đó, d là hệ số áp điện, đại diện cho khả năng của vật liệu tạo ra điện tích khi chịu ứng suất. Hệ số d còn được gọi là hệ số áp điện áp suất. Điện áp tạo ra trên bề mặt vật liệu áp điện có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng điện từ các rung động cơ học.

2. Hiệu ứng áp điện nghịch

Khi một điện trường E được áp dụng lên vật liệu áp điện, nó sẽ gây ra sự biến dạng cơ học ϵ trong vật liệu. Độ lớn của biến dạng tỉ lệ thuận với cường độ điện trường. Điều này có thể được biểu diễn bằng phương trình:

ϵ=dETrong đó, d là cùng hệ số áp điện như trong hiệu ứng áp điện thuận, thể hiện tính chất hai chiều của hiện tượng này. Hệ số dd trong trường hợp này còn được gọi là hệ số áp điện trường. Hiệu ứng này được ứng dụng trong các thiết bị như đầu phun mực, loa siêu âm và các thiết bị truyền động chính xác.

Vật liệu

Các vật liệu piezoelectric là vật liệu có thể sản sinh ra điện do áp suất cơ học, chẳng hạn như nén.Những vật liệu này cũng có thể biến dạng khi áp dụng điện áp.

Tất cả các vật liệu áp điện là không dẫn điện để cho hiệu ứng áp điện xảy ra và hoạt động. Chúng có thể được tách thành hai nhóm: tinh thể và gốm sứ.

Một số ví dụ về các vật liệu áp điện là PZT (còn gọi là chì zirconate titanate), bari titanate và niobat lithium. Những vật liệu nhân tạo này có tác dụng rõ nét hơn (chất liệu tốt hơn sử dụng) hơn thạch anh và các vật liệu áp điện tự nhiên khác.

So sánh PZT với thạch anh. PZT có thể sản xuất nhiều điện áp hơn cho cùng một lượng ứng suất cơ học ứng dụng. Ngược lại, áp dụng điện áp cho PZT thay vì thạch anh cung cấp nhiều chuyển động hơn. Quartz, một vật liệu áp điện nổi tiếng, cũng là vật liệu áp điện đầu tiên được biết đến.

PZT được tạo ra và sản xuất (dưới nhiệt độ cao) với hai thành phần hóa học-chì và zirconium- và kết hợp với một hợp chất hóa học được gọi là titanate. Công thức hóa học PZT là (Pb [Zr (x) Ti (1-x)] O ₃ ). Nó thường được sử dụng để sản xuất siêu âm đầu dò, tụ điện gốm, và các cảm biến khác và thiết bị truyền động. Nó cũng evinces một phạm vi đặc biệt của tài sản khác nhau. Năm 1952, PZT được sản xuất bởi Viện Công nghệ Tokyo.

Bari titanat là một vật liệu gốm sứ sắt có tính áp điện.Vì lý do đó, bari titanate đã được sử dụng như một loại vật liệu áp điện còn hơn hầu hết những người khác. Công thức hóa học của nó là BaTiO ₃ . Bari titanate được phát hiện vào năm 1941 trong Thế chiến II.

Lithium niobat là một hợp chất kết hợp oxy, lithium, và niobi. Công thức hóa học của nó là LiNbO ₃ . Ngoài ra một loại vật liệu gốm sắt điện nó chỉ như titanat bari ở chỗ nó có tính chất áp điện.