1. Hiệu ứng áp điện thuận:
Nếu ta tác động một lực cơ học hay nói cách khác là khi ta nén hoặc kéo giãn một số tinh thể gốm theo những phương đặc biệt (2 bề mặt) trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu và do đó có một hiệu điện thế giữa 2 bề mặt.
Hình 2.15: Hiệu ứng áp điện thuận
Một tấm thạch anh có bề dầy l0 được phủ một lớp bạc lên hai bề mặt để tạo thành các điện cực. Khi tác động một lực kéo sao cho bề dầy của tấm mỏng biến đổi với l1 = l0 +l. Trên hai bản cực của tấm mỏng xuất hiện một điện tích trái dấu. Khi tác động một lực nén sao cho bề dầy tấm bản mỏng biến đổi với l1
= l0 -l. Trên hai bản cực của tấm mỏng các điện tích đổi chiều. Quan hệ giữa điện tích Q và lực F được xác định:
Q = K.F
Trong đó: Q là điện tích (Coulomb) K hằng số áp điện 6,9.10-8 F giá trị của lực kéo, nén (kg)
Khi lực tác động lên bề mặt tấm mỏng là các dao động cơ học biến đổi thì trên hai điện cực của tấm mỏng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện xoay chiều có cùng tần số biến đổi với dao động cơ học.
Các loại vật liệu mang tính chất như trên được gọi là vật liệu áp điện. Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử thu sóng siêu âm.
2. Hiệu ứng áp điện ngược:
Nếu ta đặt lên tinh thể gồm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ giãn ra hay nén lại và nếu như ta đặt lên tinh thể gồm 1 hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể sẽ nén, giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều tạo ra áp lực nén giãn liên tục vào môi trường xung quanh tức tạo ra sóng âm. tuỳ thuộc vào tần số OSC của xung điện kích thích cũng như công nghệ chế tạo tinh thể gốm mà ta thu được chùm siêu âm có tần số khác nhau.
Tinh thể gốm
(Vật liệu áp điện) Xung điện áp Sóng siêu âm + + + + + + + + + - - - - - Nén + + + + + + + + + Giãn - - - - - - -
Hình 2.16: Hiệu ứng áp điện ngược
Nối 2 điện cực của tấm áp điện đến nguồn điện một chiều người ta nhận thấy bề dầy của tấm áp điện biến đổi với l1 = l0 + l.
Khi đảo chiều nguồn cấp điện bề dầy của tấm áp điện biến đổi với l1 = l0 - l Quan hệ giữa l và điện áp U được xác định bởi l = K.U
Trong đó: l là độ biến thiên kích thước hình học của tấm áp điện K là hằng số áp điện.
U là giá trị của nguồn phân cực.
Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm.
Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị cực đại khi tần số dao động của nguồn U bằng tần số dao động riêng của tấm áp điện. Tần số dao động riêng của tấm áp điện phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và bề dày theo biểu thức: f0 =k/l Với : k là hệ số dao động riêng (KHz.mm)
f0 là tần số dao động riêng của tấm áp điện. l là bề dầy của tấm áp điện (mm)
Biến tử áp điện được chế tạo dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện do hai nhà bác học Jean và Pierre Currie tìm vào năm 1880 trên tinh thể và nhiều loại gốm tự nhiên và nhân tạo.