เรียนฟิสิกส์กับครูชิตชัย

          เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดแรงกลต่างๆ เช่น แรงดัน ความเร่ง การสั่น แรงเครียด หรือแรงกระทำอื่นๆ โดยเปลี่ยนพลังงานกลต่างๆเหล่านี้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ในทางกลับกันเมื่อให้พลังงานไฟฟ้าแก่วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นเพียโซอิเล็ก ทริค วัสดุนั้นก็จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลได้เช่นกัน

          วัสดุเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric material) เป็นเซรามิกประเภทหนึ่งที่มีสมบัติพิเศษ กล่าวคือ เมื่อได้รับแรงกล (mechanical force) จะให้แรงดันไฟฟ้า (voltage) ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric effect) ในทางกลับกันเมื่อวัสดุได้รับแรงดันไฟฟ้าจะทำให้มีการเปลี่ยนรูปร่าง (deformation) เกิดแรงกลซึ่งเรียกว่า ปรากฏการณ์อินเวอร์สเพียโซอิเล็กทริก (inverse piezoelectric effect) การเปลี่ยนไปมา ระหว่างพลังงานกล และพลังงานไฟฟ้า สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกต่างๆ

          สมบัติเพียโซอิเล็กทริก จะเกิดขึ้นในวัสดุที่มีสภาพเป็นขั้วทางไฟฟ้าเท่านั้น วัสดุเพียโซอิเล็กทริก มีทั้งที่พบในธรรมชาติและจากการสังเคราะห์ โดยวัสดุที่พบในธรรมชาติได้แก่ แร่ควอร์ทซ์ แร่ทัวร์มารีน ส่วนวัสดุสังเคราะห์ได้แก่ เลดเซอร์โคเนียมไททาเนต (Lead zirconia titanate) ซึ่งนิยมเรียกว่า PZT เลดไททาเนต เซอร์โคเนต (Lead titanate zirconate) และแบเรียมไททาเนต (Barium titanate)

          อุปกรณ์อิเล็กทรอนิก ที่ใช้ประโยชน์จากวัสดุเพียโซอิเล็กทริก มีหลายอย่างด้วยกัน ขึ้นกับปรากฏการณ์ การเปลี่ยนแปลง ในกรณีที่มีการป้อนแรงดันให้วัสดุทำให้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง หรือเกิดแรงกล สามารถนำมาใช้เป็นทรานสดิวเซอร์ในอุปกรณ์อัลตราโซนิค (Ultrasonic) ทางการแพทย์ ลำโพง และนำมาใช้เป็นแอกซูเตอร์ (Actuator) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ประกอบ ที่สำคัญของเครื่องพิมพ์ ชัตเตอร์ในกล้องถ่ายรูป วาล์วไฮโดรลิก (hydraulic valve) เป็นต้น และในกรณ๊ให้แรงแก่วัสดุทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า สามารถใช้เป็นอุปกรณ์จุดแก๊ส (gas ignitor) ในเตาเครื่องทำความร้อน ใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) ใช้เป็นตัวตรวจจับความดัน (pressure sensor) เป็นต้น

ตัวอย่างภาพ เพียโซอิเล็กทริค เปลี่ยนแรงกดเป็นพลังงานไฟฟ้า

          การนำเพียโซอิเล็กทริค ไปใช้ในงานทางด้านวิศวกรรมชีวเวช เช่น ตัววัดคลื่นเสียงของหัวใจ(ไมโครโฟน), ตัวรับสัญญาณของเครื่องอัลตราซาวด์, Quartz crystal microbalance(QCM) ที่มีการประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดสารชีวโมเลกุลจำนวนมาก, ตัวตรวจวัดแรง เป็นต้น

          ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก หรือ ผลึกเพียโซอิเล็กทริกนี้ ที่รู้จักกันโดยทั่วไปก็คือที่ทำประกายไฟในการจุดเตาแก๊สหรือไฟแช็คนั่นเอง การดีดหรือเคาะผลึกเพียโซอิเล็กทริกก็จะทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างด้าน 2 ด้านของก้อนผลึก ถ้าต่อสายไฟออกมาก็สามารถทำให้เกิดประกายไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าได้

          ในทางกลับกันถ้าใส่ไฟฟ้าเข้าไประหว่างผลึก ก็จะทำให้ผลึกมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ถ้าใส่สัญญาณไฟฟ้าเข้าไปจะทำให้ผลึกสั่นตามสัญญาณไฟฟ้านั้นได้ และเกิดการสั่นเป็นเสียงออกมาได้ การประยุกต์ใช้งานที่เห็นได้ทั่วไปคือ ผลึกที่ให้กำเนิดเสียงต่างๆในเครื่องโทรศัพท์มือถือนั่นเอง

ลำโพงแบบเพียโซอิเล็กทริก

ที่มา :ดร.จันทร์ชัย หญิงประยูร
http://www.vcharkarn.com/vcafe/133225