เรามีวัสดุเฉพาะที่เหมาะกับการใช้งานเพียโซอิเล็กทริก แต่กระบวนการทำงานอย่างไรกันแน่?ด้วยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกลักษณะเฉพาะที่สุดของเอฟเฟ็กต์นี้คือทำงานได้สองทางคุณสามารถใช้พลังงานกลหรือพลังงานไฟฟ้ากับวัสดุเพียโซอิเล็กทริกเดียวกันและได้ผลลัพธ์ตรงกันข้าม
การใช้พลังงานกลกับคริสตัลเรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรง และทำงานในลักษณะนี้:
-
วางคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกไว้ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นณ จุดนี้ วัสดุอยู่ในสมดุลอย่างสมบูรณ์และไม่นำกระแสไฟฟ้า
-
จากนั้นความดันเชิงกลจะถูกนำไปใช้กับวัสดุโดยแผ่นโลหะ ซึ่งบังคับให้ประจุไฟฟ้าภายในคริสตัลไม่สมดุลประจุลบและประจุบวกส่วนเกินจะปรากฏที่ด้านตรงข้ามของหน้าคริสตัล
-
แผ่นโลหะจะเก็บประจุเหล่านี้ ซึ่งสามารถใช้สร้างแรงดันไฟฟ้าและส่งกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรได้
-
นั่นคือการใช้แรงดันเชิงกลอย่างง่าย การบีบคริสตัล และทันใดนั้นคุณก็มีกระแสไฟฟ้าคุณยังสามารถทำสิ่งที่ตรงกันข้ามได้ โดยใช้สัญญาณไฟฟ้ากับวัสดุเป็นเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผันมันทำงานดังนี้:
-
ในสถานการณ์เดียวกันกับตัวอย่างข้างต้น เรามีคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่วางอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่นโครงสร้างของคริสตัลมีความสมดุลอย่างสมบูรณ์แบบ
-
จากนั้นพลังงานไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้กับคริสตัล ซึ่งจะทำให้โครงสร้างของคริสตัลหดตัวและขยายตัว
-
เมื่อโครงสร้างของคริสตัลขยายและหดตัว มันจะแปลงพลังงานไฟฟ้าที่ได้รับและปล่อยพลังงานกลออกมาในรูปของคลื่นเสียง
-
เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผันถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่หลากหลายยกตัวอย่างเช่น ลำโพงที่ใช้แรงดันไฟฟ้ากับเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก ทำให้วัสดุสั่นสะเทือนอากาศเป็นคลื่นเสียง
การค้นพบเพียโซอิเล็กทริก
Piezoelectricity ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1880 โดยสองพี่น้องและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Jacques และ Pierre Curieขณะทำการทดลองกับคริสตัลหลายชนิด พวกเขาค้นพบว่าการใช้แรงกดเชิงกลกับคริสตัลบางชนิด เช่น ควอตซ์ จะปล่อยประจุไฟฟ้าออกมาพวกเขาเรียกสิ่งนี้ว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก
ในอีก 30 ปีข้างหน้า Piezoelectricity ถูกสงวนไว้สำหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการและการปรับแต่งเพิ่มเติมจนกระทั่งสงครามโลกครั้งที่ 1 มีการใช้เพียโซอิเล็กทริกเพื่อการใช้งานจริงในโซนาร์โซนาร์ทำงานโดยเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าเข้ากับเครื่องส่งสัญญาณเพียโซอิเล็กทริกนี่คือเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผันในการดำเนินการ ซึ่งจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียงเชิงกล
คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านน้ำจนกระทั่งกระทบวัตถุจากนั้นจึงส่งกลับไปยังเครื่องรับต้นทางเครื่องรับนี้ใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงเพื่อแปลงคลื่นเสียงเป็นแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสามารถประมวลผลโดยอุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณระยะห่างของวัตถุสามารถคำนวณใต้น้ำได้โดยใช้เวลาระหว่างที่สัญญาณออกไปและเมื่อสัญญาณกลับมา
ด้วยโซนาร์ที่ประสบความสำเร็จ piezoelectricity ได้รับสายตาที่กระตือรือร้นจากกองทัพสงครามโลกครั้งที่ 2 ทำให้เทคโนโลยีพัฒนาไปไกลยิ่งขึ้น เมื่อนักวิจัยจากสหรัฐอเมริกา รัสเซีย และญี่ปุ่นทำงานประดิษฐ์วัสดุเพียโซอิเล็กทริกชนิดใหม่ที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งเรียกว่าเฟอร์โรอิเล็กทริกงานวิจัยนี้นำไปสู่วัสดุ 2 ชนิดที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งใช้ร่วมกับคริสตัลควอตซ์ธรรมชาติ แบเรียมไททาเนตและตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต
Piezoelectricity วันนี้
ในโลกปัจจุบันของอิเล็กทรอนิคส์ piezoelectricity ถูกนำมาใช้ทุกที่การขอเส้นทางไปยังร้านอาหารใหม่โดยใช้ piezoelectricity ในไมโครโฟนมีแม้กระทั่งรถไฟใต้ดินในโตเกียวที่ใช้พลังของฝีเท้ามนุษย์เพื่อขับเคลื่อนโครงสร้างเพียโซอิเล็กทริกในพื้นดินคุณจะพบ piezoelectricity ที่ใช้ในแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้:
แอคชูเอเตอร์
แอกทูเอเตอร์ใช้เพียโซอิเล็กทริกเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องถักและอักษรเบรลล์ กล้องวิดีโอ และสมาร์ทโฟนในระบบนี้ แผ่นโลหะและอุปกรณ์แอคชูเอเตอร์ประกบวัสดุเพียโซอิเล็กทริกเข้าด้วยกันจากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้กับวัสดุเพียโซอิเล็กทริกซึ่งจะขยายและหดตัวการเคลื่อนไหวนี้ทำให้ตัวกระตุ้นเคลื่อนที่เช่นกัน
ลำโพงและออด
ลำโพงใช้ piezoelectricity เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น นาฬิกาปลุก และอุปกรณ์เชิงกลขนาดเล็กอื่นๆ ที่ต้องการความสามารถด้านเสียงคุณภาพสูงระบบเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผันโดยแปลงสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเสียงเป็นพลังงานกลเป็นคลื่นเสียง
ไดรเวอร์
ไดรเวอร์จะแปลงแบตเตอรี่แรงดันต่ำให้เป็นแรงดันไฟที่สูงขึ้นซึ่งสามารถใช้ขับเคลื่อนอุปกรณ์เพียโซได้กระบวนการขยายสัญญาณนี้เริ่มต้นด้วยออสซิลเลเตอร์ซึ่งส่งสัญญาณคลื่นไซน์ที่เล็กกว่าออกมาคลื่นไซน์เหล่านี้จะถูกขยายด้วยเครื่องขยายสัญญาณเพียโซ
เซ็นเซอร์
เซ็นเซอร์ถูกนำไปใช้งานหลากหลายประเภท เช่น ไมโครโฟน กีตาร์ขยายเสียง และอุปกรณ์สร้างภาพทางการแพทย์อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ไมโครโฟนเพียโซอิเล็กทริกเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันในคลื่นเสียง ซึ่งสามารถแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับการประมวลผลได้
พลัง
หนึ่งในแอปพลิเคชั่นที่ง่ายที่สุดสำหรับเพียโซอิเล็กทริกคือไฟแช็กบุหรี่ไฟฟ้าการกดปุ่มของไฟแช็กจะปล่อยค้อนสปริงเข้าไปในคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกสิ่งนี้สร้างกระแสไฟฟ้าที่ข้ามช่องว่างของประกายไฟเพื่อให้ความร้อนและจุดประกายก๊าซระบบพลังงานเพียโซอิเล็กทริกแบบเดียวกันนี้ใช้ในเตาแก๊สขนาดใหญ่และช่วงเตาอบ
มอเตอร์
คริสตัลเพียโซอิเล็กทริกเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำ เช่น การเคลื่อนที่ของมอเตอร์ในอุปกรณ์เหล่านี้ วัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะรับสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งจากนั้นจะเปลี่ยนเป็นพลังงานกลเพื่อบังคับให้แผ่นเซรามิกเคลื่อนที่
Piezoelectricity และอนาคต
อนาคตของ piezoelectricity คืออะไร?ความเป็นไปได้มากมายแนวคิดยอดนิยมอย่างหนึ่งที่นักประดิษฐ์กำลังทำอยู่คือการใช้เพียโซอิเล็กทริกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานลองนึกภาพว่ามีอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกในสมาร์ทโฟนของคุณที่สามารถเปิดใช้งานได้จากการเคลื่อนไหวร่างกายของคุณเพื่อเก็บประจุไว้
หากคิดให้ใหญ่ขึ้นอีกนิด คุณยังสามารถฝังระบบเพียโซอิเล็กทริกไว้ใต้ทางเท้าบนทางหลวงซึ่งเปิดใช้งานโดยล้อของรถยนต์ที่เดินทางได้พลังงานนี้สามารถนำไปใช้กับไฟสต็อปไลท์และอุปกรณ์ใกล้เคียงอื่น ๆ ได้เมื่อรวมกับถนนที่เต็มไปด้วยรถยนต์ไฟฟ้าแล้วคุณจะพบว่าตัวเองอยู่ในสถานการณ์พลังงานบวก
