ตั้งแต่ที่มนุษย์ค้นพบว่าแหล่งพลังงานที่น่าเชื่อถือที่สุดจะถึงจุดสูญสิ้นภายในหลายทศวรรษ และโลกจะกลายเป็นสถานที่ไร้ไฟฟ้า ทุกระบบและเทคโนโลยีที่เราพึ่งพาจะหยุดทำงาน สำคัญที่สุดคือ อินเทอร์เน็ตจะหยุดทำงานตลอดกาล! นั่นจะเป็นอันตรายมหาศาล ดังนั้น แม้ก่อนจะตระหนักถึงความสำคัญของอินเทอร์เน็ต ก่อนที่มันจะเกิดขึ้นจริง หรือก่อนที่จะกลายเป็นเทคโนโลยีศูนย์กลางของการพัฒนาทั้งหมด นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือก
หลายแหล่งพลังงานทางเลือกได้กลายเป็นโรงไฟฟ้าที่สมบูรณ์แล้ว ในขณะที่บางอย่างยังอยู่ในห้องปฏิบัติการทดสอบศักยภาพและการประยุกต์ใช้งานจริง ระหว่างแหล่งพลังงานทางเลือกเหล่านี้ มีหนึ่งอย่างที่ยังไม่ได้เข้าสู่อุตสาหกรรมผลิตเต็มรูปแบบ คือ พลังงานพีโซอีเล็กทริก หรือ ไฟฟ้าจากผลึกพีโซอีเล็กทริก
ผลึกพีโซอีเล็กทริกคืออะไร?
เอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริกถูกค้นพบในปี 1880 โดยนักฟิสิกส์ฝรั่งเศสสองคน คือ พี่น้อง Pierre และ Paul-Jacques Curie ในผลึกของควอตซ์ ทัวร์มาลิน และเกลือโรเชลล์ (พอทาสเซียมโซเดียมทาร์เทรต) พวกเขาตั้งชื่อจากคำกรีก "Piezein" ซึ่งหมายถึง "กดอัด"
ผลึกที่ได้รับประจุไฟฟ้าเมื่อถูกบีบ บิด หรือบิดเบี้ยว เรียกว่าผลึกพีโซอีเล็กทริก นี่ให้เอฟเฟกต์ทรานสデューサーที่สะดวกระหว่างการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้าและกลศาสตร์
ควอตซ์แสดงคุณสมบัตินี้และมีความเสถียรสูง เมื่อแรงภายนอกถูกกระทำต่อผลึกควอตซ์ จะมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นข้ามพื้นผิว การเปลี่ยนแปลงนี้วัดได้จากค่าที่สอดคล้องกับเสียงหรือการสั่นสะเทือน
พีโซอีเล็กทริซิตี้คืออะไร?
บีบผลึกบางชนิด (เช่น ควอตซ์) และคุณจะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านมัน ทางกลับกันก็จริงเช่นกัน: หากผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในผลึกเดียวกัน มันจะ "บีบตัวเอง" โดยสั่นสะเทือนไปมา
ในทางเทคนิค:
"พีโซอีเล็กทริซิตี้ (หรือเอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริก) คือการปรากฏของศักยภาพไฟฟ้า (กล่าวคือ แรงดันไฟฟ้า) ข้ามด้านของผลึก เมื่อคุณทำให้เกิดความเครียดทางกลศาสตร์ (โดยการบีบอัดมัน)"
เอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริกเกิดขึ้นอย่างไร?
เพื่อสร้างเอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริก ผลึกควอตซ์ธรรมชาติต้องถูกตัดเป็นแผ่นบางรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือรูปไข่ที่มีความหนาเท่ากัน ผลึกแต่ละชิ้นมีแกน 3 ชุด – แกนออปติก, แกนไฟฟ้า 3 แกน OX1, OX2, และ OX3 ที่ห่างกัน 120 องศา และแกนกลศาสตร์ 3 แกน OY1, OY2 และ OY3 ที่ห่างกัน 120 องศาเช่นกัน แกนกลศาสตร์จะตั้งฉากกับแกนไฟฟ้า พารามิเตอร์บางอย่างที่ตัดสินใจลักษณะของผลึกสำหรับการประยุกต์ใช้ ได้แก่:
- มุมที่ตัดวเฟอร์จากผลึกควอตซ์ธรรมชาติ
- ความหนาของแผ่น
- ขนาดของแผ่น
- วิธีการติดตั้ง
หากนำแรงไฟฟ้าไปกระทำในทิศทางของแกนไฟฟ้า (แกน X) จะเกิดแรงเครียดกลศาสตร์ในทิศทางของแกน Y ซึ่งตั้งฉากกับแกน X ที่เกี่ยวข้อง ทำนองเดียวกัน หากให้แรงเครียดกลศาสตร์ตามแกน Y จะมีประจุไฟฟ้ากลายขึ้นบนหน้าผลึก ตั้งฉากกับแกน X ที่ตั้งฉากกับแกน Y
อ่านเพิ่มเติม: IoT เป็นโซลูชันอัจฉริยะสำหรับการอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติหรือไม่?
เอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริกย้อนกลับ
เอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริกสามารถกลับทิศทางได้ เรียกว่าเอฟเฟกต์พีโซอีเล็กทริกย้อนกลับ สร้างขึ้นโดยการประยุกต์แรงดันไฟฟ้าเพื่อทำให้ผลึกพีโซอีเล็กทริกหดหรือขยาย การใช้เอฟเฟกต์ย้อนกลับช่วยพัฒนาอุปกรณ์ที่สร้างและผลิตคลื่นเสียง ตัวอย่างอุปกรณ์เสียงพีโซอีเล็กทริก ได้แก่ ลำโพง (พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์มือถือ) หรือบัซเซอร์
ข้อดีของพีโซอีเล็กทริซิตี้
- ตอบสนองความถี่สูง – ตอบสนองความถี่สูงมาก หมายถึงพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงในความเร็วสูงสามารถตรวจจับได้ง่าย
- ตอบสนองช่วงชั่วคราวสูง – ทรานสデューサーพีโซอีเล็กทริกตรวจจับเหตุการณ์ในระดับไมโครวินาทีและให้เอาต์พุตเชิงเส้น
- เอาต์พุตสูง – ให้เอาต์พุตสูงที่วัดได้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์
- ขนาดเล็ก – เนื้อที่กะทัดรัด แข็งแรงทนทาน
- ไบเรียมไทเตเนตและควอตซ์ สามารถสร้างเป็นรูปร่างและรูปแบบที่ต้องการได้ มีค่าคงตัวไดอิเลกทริกสูง แกนผลึกเลือกได้โดยการกำหนดทิศทางการจัดแนว
ข้อเสียของพีโซอีเล็กทริซิตี้
- เอาต์พุตต่ำ – เอาต์พุตจากทรานสデューサーพีโซอีเล็กทริกต่ำ จึงต้องต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายนอก
- เนื่องจากอุปกรณ์ทำงานกับประจุไฟฟ้าเล็ก จึงต้องใช้สายเคเบิลอิมพิดานซ์สูงสำหรับอินเทอร์เฟซไฟฟ้า
- หากความชื้นสัมพัทธ์เกิน 85% หรือต่ำกว่า 35% เอาต์พุตจะได้รับผลกระทบ ต้องเคลือบด้วยน้ำมันพาราฟินหรือโพลิเมอร์
- การขึ้นรูป – ยากที่จะขึ้นรูปผลึกให้เป็นรูปร่างที่ต้องการพร้อมความแข็งแรงเพียงพอ
- ไม่เหมาะสำหรับการวัดในภาวะคงที่ เอาต์พุตอาจเปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของผลึก
ตัวอย่างทรานสデューサーพีโซอีเล็กทริก
- ควอตซ์ (Quartz)
- เกลือโรเชลล์ (Rochelle Salt)
- ไบเรียมไทเตเนตที่ขั้วความเป็นขั้ว (Polarized barium Titanate)
- แอมโมเนียมไดไฮโดรเจน (Ammonium Di-hydrogen)
- ลิเทียมซัลเฟต (Lithium Sulphate)
- เอทิลีนไดอามีนทาร์เทรต (Ethylene Diamine Tartrate)
- โคลลาเจนในกระดูกก็เป็นพีโซอีเล็กทริก
- น้ำตาลธรรมดา (Ordinary Sugar)
มีสถานการณ์หลากหลายที่เราต้องแปลงพลังงานกลศาสตร์ (แรงดันหรือการเคลื่อนไหว) เป็นสัญญาณไฟฟ้า หรือในทางกลับกัน ทรานสデューサーพีโซอีเล็กทริกเป็นอุปกรณ์ที่สมบูรณ์สำหรับการแปลงนี้ ทรานสデューサーเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในชีวิตประจำวันหลายอย่าง:
- ในอุปกรณ์อัลตราซาวด์ ทรานสデューサーแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนกลศาสตร์ที่รวดเร็วมาก – เร็วจนทำให้เกิดเสียง แต่ความถี่สูงเกินไปที่หูมนุษย์จะได้ยิน ไวเบรชันเหล่านี้ใช้สำหรับสแกน ทำความสะอาด และอื่นๆ
- ด้วยการตอบสนองความถี่ที่ดี ใช้เป็นแอคเซลเลอรอมิเตอร์ โดยเอาต์พุตอยู่ในออเดอร์ (1-30) mV ต่อจีของความเร่ง
- ทรานสデューサーเหล่านี้มีประโยชน์มากสำหรับการวัดแบบไดนามิก คือพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงเร็ว เนื่องจากศักยภาพที่เกิดภายใต้เงื่อนไขคงที่ไม่ถูกเก็บรักษาโดยเครื่องมือ ดังนั้นผลึกพีโซอีเล็กทริกใช้หลักสำหรับวัดคุณสมบัติเช่น ความหยาบของผิว และในแอคเซลเลอรอมิเตอร์และวัดการสั่นสะเทือน
- บริษัทรถยนต์ใช้ทรานสデューサーเพื่อตรวจจับการระเบิดในบล็อกเครื่องยนต์
การใช้เทคโนโลยีนี้สำหรับการผลิตพลังงานอย่างเต็มรูปแบบ การทดลองยังคงดำเนินอยู่ ในบล็อกต่อไปเราจะพูดถึงการใช้งานที่เป็นไปได้ของผลึกพีโซอีเล็กทริกเพื่อสร้างพลังงานที่บ้านของเรา
