ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ผู้คนพบว่าแหล่งกำเนิดพลังงานที่พึ่งพาได้มากที่สุดจะมาถึงจุดที่สูญพันธุ์ และเราจะขาดแคลนแหล่งพลังงานเหล่านี้หลังจากผ่านไปหลายทศวรรษหรือมากกว่านั้น และโลกจะกลายเป็นสถานที่ที่ไม่มีไฟฟ้า และลองจินตนาการดูว่าระบบและเทคโนโลยีทั้งหมดที่เราพึ่งพาอย่างมากนั้นจะหยุดทำงานหรือไม่ ที่สำคัญที่สุด INTERNET จะหยุดทำงานถาวร! และนั่นจะเป็นการระเบิดครั้งใหญ่ ดังนั้น ก่อนที่พวกเขาจะตระหนักถึงความสำคัญของอินเทอร์เน็ต ก่อนที่มันจะเกิดขึ้นจริง หรือแม้แต่ก่อนที่อินเทอร์เน็ตจะกลายเป็นเทคโนโลยีที่เป็นศูนย์กลางของการพัฒนาเทคโนโลยีทั้งหมด พวกเขาก็เริ่มทำงานเพื่อหาแหล่งพลังงานทางเลือก
แหล่งข้อมูลทางเลือกจำนวนมากได้กลายเป็น Generation Plant ที่เต็มเปี่ยมแล้ว และในขณะที่บางส่วนยังคงอยู่ในห้องปฏิบัติการเพื่อทดลองศักยภาพและการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ ในบรรดาแหล่งพลังงานทางเลือกเหล่านี้ แหล่งพลังงานที่ไม่ได้เข้าสู่อุตสาหกรรมการผลิตอย่างเต็มรูปแบบ ได้แก่ เพียโซอิเล็กทริกหรือไฟฟ้าจากเพียโซอิเล็กทริกคริสตัล
Piezoelectric Crystals คืออะไร
ผลเพียโซอิเล็กทริกถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2423 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสสองคน พี่น้องปิแอร์และปอล-ฌาคส์ กูรี ในผลึกของควอตซ์ ทัวร์มาลีน และเกลือโรแชล (โพแทสเซียมโซเดียมทาร์เทรต) ชื่อนี้มาจากคำภาษากรีกว่า “Piezein ” ซึ่งหมายถึง “กด ”.
คริสตัลที่ได้รับประจุเมื่อบีบอัด บิด หรือบิดเบี้ยว จะเรียกว่าเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งให้เอฟเฟกต์ทรานสดิวเซอร์ที่สะดวกระหว่างการสั่นทางไฟฟ้าและทางกล
ควอตซ์แสดงคุณสมบัตินี้และมีความเสถียรอย่างยิ่ง เมื่อใช้แรงภายนอกกับคริสตัลควอตซ์ จะมีการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นทั่วพื้นผิว การเปลี่ยนแปลงนี้วัดจากค่าเสียงหรือการสั่นสะเทือนที่สอดคล้องกัน
Piezoelectricity คืออะไร
บีบคริสตัลบางอย่าง (เช่น ควอตซ์) แล้วคุณจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ สิ่งที่ตรงกันข้ามมักจะเป็นจริงเช่นกัน หากคุณส่งกระแสไฟฟ้าผ่านผลึกเดียวกัน คริสตัลจะ "บีบตัวเอง" โดยการสั่นไปมา
ในด้านเทคนิค:
“เพียโซอิเล็กทริก (เรียกว่า พีโซอิเล็กทริกเอฟเฟกต์) คือลักษณะของศักย์ไฟฟ้า (หรืออีกนัยหนึ่งคือแรงดันไฟฟ้า) ที่ด้านข้างของผลึกเมื่อ คุณอยู่ภายใต้ความเครียดเชิงกล (โดยการบีบ)”
Piezoelectric Effect เกิดขึ้นได้อย่างไร
สำหรับการสร้างเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก คริสตัลควอตซ์ธรรมชาติจะต้องถูกเจียระไนเป็นแผ่นสี่เหลี่ยมหรือวงรีบางๆ ที่มีความหนาสม่ำเสมอ คริสตัลแต่ละชุดมีแกนสามชุด ได้แก่ แกนออปติคอล แกนไฟฟ้า OX1, OX2 และ OX3 สามแกนที่ทำมุมกัน 120 องศา และแกนเชิงกล OY1, OY2 และ OY3 สามแกนที่ทำมุมกัน 120 องศาเช่นกัน แกนเครื่องกลจะทำมุมฉากกับแกนไฟฟ้า พารามิเตอร์บางตัวที่กำหนดลักษณะของคริสตัลสำหรับแอปพลิเคชันคือ:
- มุมที่แผ่นเวเฟอร์ถูกตัดจากคริสตัลควอตซ์ธรรมชาติ
- ความหนาของแผ่นเพลท
- ขนาดของจาน
- วิธีการติดตั้ง
หากใช้ความเค้นไฟฟ้าในทิศทางของแกนไฟฟ้า (แกน X) จะเกิดความเครียดเชิงกลในทิศทางของแกน Y ซึ่งตั้งฉากกับ แกน X ที่เกี่ยวข้อง ในทำนองเดียวกัน หากความเครียดทางกลถูกกำหนดไปตามแกน Y ประจุไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นที่ผิวหน้าของคริสตัล ซึ่งตั้งฉากกับแกน X ซึ่งทำมุมฉากกับแกน Y
อ่านเพิ่มเติม: IoT เป็นโซลูชันที่ชาญฉลาดในการอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติหรือไม่
ผลไพโซอิเล็กทริกผกผัน
เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกสามารถย้อนกลับได้ ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผัน สิ่งนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าเพื่อทำให้คริสตัลเพียโซอิเล็กทริกหดตัวหรือขยายตัว การใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผันสามารถช่วยพัฒนาอุปกรณ์ที่สร้างและผลิตคลื่นเสียงอะคูสติกได้ ตัวอย่างของอุปกรณ์อะคูสติกแบบเพียโซอิเล็กทริก ได้แก่ ลำโพง (มักพบในอุปกรณ์พกพา) หรือออด
ข้อดีของเพียโซอิเล็กทริก
- การตอบสนองความถี่สูง – มีการตอบสนองความถี่สูงมาก ซึ่งหมายความว่าสามารถตรวจจับพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงด้วยความเร็วสูงมากได้อย่างง่ายดาย
- การตอบสนองชั่วคราวสูง – ทรานสดิวเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกสามารถตรวจจับเหตุการณ์ในระดับไมโครวินาทีและให้เอาต์พุตเชิงเส้นได้ด้วย
- เอาต์พุตสูง – ให้เอาต์พุตสูงที่วัดได้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์
- ขนาดเล็ก – มีขนาดกะทัดรัดและมีขนาดเล็กมาก มีโครงสร้างที่แข็งแรงทนทาน
- แบเรียมไททาเนตและควอตซ์สามารถทำเป็นรูปร่างและรูปแบบที่ต้องการได้ นอกจากนี้ยังมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกขนาดใหญ่ สามารถเลือกแกนคริสตัลได้โดยการปรับทิศทางการวาง
ข้อเสียของเพียโซอิเล็กทริก
- เอาต์พุตต่ำ – เอาต์พุตที่ได้จากทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริกมีค่าต่ำ ดังนั้นจึงต้องต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายนอก
- เนื่องจากอุปกรณ์ทำงานโดยใช้ประจุไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย จึงต้องใช้สายเคเบิลความต้านทานสูงสำหรับอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้า
- ความชื้นสัมพัทธ์ที่สูงกว่า 85% หรือต่ำกว่า 35% ความชื้นสัมพัทธ์จะได้รับผลกระทบ ถ้าเป็นเช่นนั้น จะต้องเคลือบด้วยขี้ผึ้งหรือวัสดุโพลิเมอร์
- การขึ้นรูป - เป็นการยากมากที่จะให้รูปร่างที่ต้องการกับผลึกที่มีความแข็งแรงเพียงพอ
- ไม่เหมาะสำหรับการวัดในสภาพคงที่ ผลลัพธ์อาจแตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของคริสตัล
ตัวอย่างทรานสดิวเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก
- ควอตซ์
- เกลือโรเชลล์
- โพลาไรซ์แบเรียมไททาเนต
- แอมโมเนียมได-ไฮโดรเจน
- ลิเธียมซัลเฟต
- เอทิลีนไดอามีนทาร์เทรต
- คอลลาเจนในกระดูกยังเป็นเพียโซอิเล็กทริก
- น้ำตาลธรรมดา
มีสถานการณ์ทุกประเภทที่เราจำเป็นต้องแปลงพลังงานกล (ความดันหรือการเคลื่อนไหวบางอย่าง) ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือในทางกลับกัน Piezoelectric Transducers เป็นอุปกรณ์ที่สมบูรณ์แบบสำหรับใช้ในการแปลง ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้ถูกนำไปใช้งานมากมายในชีวิตประจำวันของเราตามรายการด้านล่าง:
- ในอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ ตัวแปลงสัญญาณแบบเพียโซอิเล็กทริกจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนเชิงกลที่รวดเร็วมาก ซึ่งอันที่จริงแล้วเร็วมากจนทำให้เกิดเสียงได้ แต่เสียงแหลมสูงเกินกว่าที่หูของเราจะได้ยิน การสั่นสะเทือนแบบอัลตราซาวนด์เหล่านี้สามารถใช้ในการสแกน ทำความสะอาด และสิ่งอื่นๆ ได้ทุกประเภท
- เนื่องจากการตอบสนองความถี่ที่ยอดเยี่ยม โดยปกติจะใช้เป็นเครื่องวัดความเร่ง โดยที่เอาต์พุตจะอยู่ในลำดับ (1-30) mV ต่อแรงโน้มถ่วงของการเร่งความเร็ว
- ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกมีประโยชน์มากกว่าสำหรับการวัดแบบไดนามิก เช่น พารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงในอัตราที่รวดเร็ว This is because the potential developed under the static conditions is not held by the instrument. Thus piezoelectric crystals are primarily used measurement of quantities like surface roughness, and also in accelerometers and vibration pickups.
- The automotive companies used piezoelectric transducers to detect detonations in the engine blocks.
To use this technology for power generation in full-fledged way the experiments are still going on. Well in the next blog we would discuss about some possible uses that we can have of the piezoelectric crystals to generate energy at our homes.
