How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

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

Translator: Thái Sơn Nguyễn Reviewer: Ly Nguyễn

This is a crystal of sugar.

Đây là một tinh thể của đường.

If you press on it, it will actually generate its own electricity.

Nếu bạn ấn lên nó, nó sẽ tự phát điện.

How can this simple crystal act like a tiny power source?

Làm thế nào tinh thể đơn này có thể hành động như một nguồn điện nhỏ?

Because sugar is piezoelectric.

Bởi vì đường có hiệu ứng áp điện.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

Vật áp điện biến ứng suất cơ học,

like pressure,

như áp lực,

sound waves,

sóng âm thanh,

and other vibrations

hay các rung động khác

into electricity and vice versa.

thành điện lực và ngược lại.

This odd phenomenon was first discovered

Hiện tượng kì lạ này được phát hiện lần đầu

by the physicist Pierre Curie and his brother Jacques in 1880.

vào năm 1880 bởi nhà vật lý học Pierre Curie và anh trai mình Jacques.

They discovered that if they compressed thin slices of certain crystals,

Họ khám phá rằng nếu họ ép những miếng mỏng của một vài tinh thể bất kỳ,

positive and negative charges would appear on opposite faces.

điện tích dương và âm sẽ xuất hiện trên bề mặt đối diện.

This difference in charge, or voltage,

Sự khác nhau về điện tích, hay điệp áp này,

meant that the compressed crystal could drive current through a circuit,

có nghĩa là mảnh tinh thể bị ép có thể dẫn điện đi qua mạch điện,

like a battery.

như một cục pin vậy.

And it worked the other way around, too.

Và nó còn hoạt động theo chiều ngược lại nữa.

Running electricity through these crystals made them change shape.

Dẫn điện đi qua những tinh thể này làm cho nó biến dạng.

Both of these results,

Cả hai kết quả này,

turning mechanical energy into electrical,

biến cơ năng thành điện năng,

and electrical energy into mechanical,

và biến điện năng thành cơ năng,

were remarkable.

rất đáng khâm phục.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

Nhưng phát kiến trên đã không được biết đến trong suốt vài thập kỷ.

The first practical application was in sonar instruments

Ứng dụng thực tế đầu tiên nằm trong các thiết bị định vị thuỷ âm

used to detect German submarines during World War I.

được dùng để phát hiện tàu ngầm Đức trong chiến tranh thế giới thứ nhất.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

Tinh thể thạch anh áp điện trong máy phát sóng âm

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

rung lên khi chúng gặp dòng điện xoay chiều.

That sent ultrasound waves through the water.

Điều này truyền đi sóng siêu âm dưới mặt nước.

Measuring how long it took these waves to bounce back from an object

Đo lường việc các đợt sóng này mất bao lâu để nảy lại từ vật thể

revealed how far away it was.

cho biết vật đó nằm cách ta bao xa.

For the opposite transformation,

Còn với sự chuyển đổi ngược lại,

converting mechanical energy to electrical,

biến cơ năng thành điện năng,

consider the lights that turn on when you clap.

hãy nghĩ đến cái đèn mà bật sáng khi bạn vỗ tay.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

Vỗ tay truyền đi những rung động âm thanh trong không khí

and causes the piezo element to bend back and forth.

và khiến cho các phần tử áp lực bị bẻ cong tới lui.

This creates a voltage that can drive enough current to light up the LEDs,

Điều này tạo ra điện áp đủ sức dẫn điện thắp sáng bóng đèn LED,

though it's conventional sources of electricity that keep them on.

tuy vậy, chính nguồn điện thông thường mới giữ cho chúng sáng được.

So what makes a material piezoelectric?

Vậy thì điều gì nào khiến cho một vật có hiệu ứng áp điện?

The answer depends on two factors:

Câu trả lời phụ thuộc vào hai yếu tố:

the materials atomic structure,

cấu trúc nguyên tử của vật thể,

and how electric charge is distributed within it.

và cách dòng điện được phân bổ trong nó.

Many materials are crystalline,

Có rất nhiều vật liệu kết tinh,

meaning they're made of atoms or ions

có nghĩa chúng được làm từ nguyên tử và ion

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

được sắp xếp có trật tự theo mô hình không gian ba chiều.

That pattern has a building block called a unit cell

Mô hình đó có một khối hợp nhất gọi là đơn vị tế bào

that repeats over and over.

lặp đi lặp lại.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

Trong hầu hết những vật kết tinh không áp điện,

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

nguyên tử trong các đơn vị tế bào được phân bổ đối xứng với nhau

around a central point.

xung quanh trung điểm.

But some crystalline materials don't possess a center of symmetry

Nhưng một số vật liệu kết tinh không có tâm đối xứng

making them candidates for piezoelectricity.

làm cho chúng có khả năng áp điện.

Let's look at quartz,

Hãy cùng quan sát thạch anh,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

một vật liệu áp điện được cấu thành từ silic và ôxy.

The oxygens have a slight negative charge and silicons have a slight positive,

Ôxy có một lượng điện âm nhỏ còn silic có một lượng điện dương nhỏ,

creating a separation of charge,

gây ra sự tách rời điện tích,

or a dipole along each bond.

hoặc sự lưỡng cực theo từng mối liên kết.

Normally, these dipoles cancel each other out,

Thông thường, các lưỡng cực này triệt tiêu lẫn nhau,

so there's no net separation of charge in the unit cell.

nên không có sự tách rời thực của điện tích trong đơn vị tế bào.

But if a quartz crystal is squeezed along a certain direction,

Nhưng nếu tinh thể thạch anh bị nén theo một hướng nhất định,

the atoms shift.

các nguyên tử sẽ di chuyển vị trí.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

Do tính không đối xứng trong việc phân bổ điện tích,

the dipoles no longer cancel each other out.

sự lưỡng cực không còn tự triệt tiêu lẫn nhau nữa.

The stretched cell ends up with a net negative charge on one side

Cuối cùng, tế bào bị kéo giãn có điện tích âm toàn phần ở một mặt

and a net positive on the other.

và điện tích dương toàn phần ở mặt kia.

This charge imbalance is repeated all the way through the material,

Sự mất cân bằng điện tích này được lặp lại xuyên suốt vật thể,

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

và điện tích ngược dấu tập hợp trên các bề mặt đối diện của tinh thế.

This results in a voltage that can drive electricity through a circuit.

Điều này dẫn đến kết quả là một điện áp mà có thể dẫn điện đi qua mạch điện.

Piezoelectric materials can have different structures.

Vật áp điện có thể có những cấu trúc khác nhau.

But what they all have in common is unit cells which lack a center of symmetry.

Nhưng điểm chung của chúng là các đơn vị tế bào không có tâm đối xứng.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

Và vật áp điện bị nén chặt bao nhiêu,

the larger the voltage generated.

thì lượng điện áp sinh ra càng lớn bấy nhiêu.

Stretch the crystal, instead, and the voltage will switch,

Thay vào đó, kéo giãn tinh thế ra và điệp áp sẽ đổi hướng,

making current flow the other way.

làm dòng điện chạy ngược lại.

More materials are piezoelectric than you might think.

Có nhiều vật liệu mang hiệu ứng áp điện hơn là bạn nghĩ đấy.

DNA,

DNA,

bone,

xương,

and silk

và lụa

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

tất cả đều có khả năng biến cơ năng thành điện năng.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Các nhà khoa học đã tạo ra đủ loại vật liệu áp điện nhân tạo

and found applications for them in everything from medical imaging

và tìm ra những ứng dụng của chúng trong mọi thứ từ tạo xạ hình y tế

to ink jet printers.

đến máy in phun.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

Hiện tượng áp điện chịu trách nhiệm cho sự dao động nhịp nhàng

of the quartz crystals that keep watches running on time,

của những tinh thể thạch anh mà giữ cho đồng hồ chạy đúng giờ,

the speakers of musical birthday cards,

loa của thiệp sinh nhật phát nhạc,

and the spark that ignites the gas in some barbecue grill lighters

và tia lửa đốt cháy khí ga trong các bật lửa vỉ nướng

when you flick the switch.

khi bạn bật công tắc.

And piezoelectric devices may become even more common

Và những thiết bị áp điện có thể trở nên ngày càng phổ biến hơn

since electricity is in high demand and mechanical energy is abundant.

do nhu cầu điện năng cao còn cơ năng thì thừa thãi.

There are already train stations that use passengers' footsteps

Đã xuất hiện những trạm xe lửa dùng tiếng bước chân hành khách

to power the ticket gates and displays

để cấp điện cho cổng soát vé và bảng hiển thị

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

và một hộp đêm nơi sự áp điện giúp thắp sáng các bóng đèn.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Liệu các cầu thủ bóng rổ chạy tới lui có thể cấp điện cho bảng điểm?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

Hay liệu bước đi ngoài đường có thể sạc các thiết bị điện tử của bạn?

What's next for piezoelectricity?

Điều tiếp theo dành cho hiện tượng áp điện là gì?