ฟิสิกส์ของสเก็ตน้ำแข็งpersonal.sut.ac.th/worawat/tjp_internaluse/05...

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556

วสดฉลาดเพญพชชา อมรภทรกจ 1 และ สพล อนนตา 2

เคยสงสยกนไหมครบวา อนทจรงแลว คำาวา “Smart” น ควรจะนำามาใชเมอไรและมความแตกตางกบคำาวา “Intelligent” และ “Wise” อยางไร ในเมอคำาเหลานตางกมความหมายโดยทวๆ ไปวา ฉลาด ซงอยตรง“ ”กนขามกบคำาวา โง เหมอนๆ กน แตใน“ ”ความจรงแลว คำาวา Smart นน สามารถนำามาใชไดทงในทางบวก (เชน ฉลาด เฉยบ เทห) และในทางลบ (เชน ฉลาดแกมโกง หรอฉลาดแตไมเฉลยว) ในขณะท Intelligent นอกจากจะบงบอกถงความฉลาด เขาใจอะไรๆ ไดรวดเรวและฉบไวแลว ยงสามารถคดหาเหตผลไดอยางสขมอกดวย สวน Wise นน เปนคำาทมความหมายแตกตางออกไปจากคำาทกลาวมาในขางตนอยางชดเจน กลาวคอเปนความฉลาดทสงสงดวยการสงสมประสบการณ หรอความรอบร ดวยความเขาใจถงผลกระทบของการกระทำา ดวยความเขาใจถงสจธรรม หรอภาพรวมของสงตางๆ นอกจากเราจะใชคำาเหลานในการแบงแยกกลมคนตามสตปญญาแลว ในทางพทธศาสนาเอง พระสมมาสมพทธเจากไดทรงตรสสงสอนเปรยบเทยบคนเรากบดอกบว 4 เหลา ไดแก พวกโงทบ ไรสตปญญา ขาดความเพยร ไมสามารถพฒนาได เปรยบเสมอนดอกบวทจมอยใตโคลนตมไมมโอกาสโผลขนพนนำาเพอเบงบาน แตถามสตปญญา เมอไดฟงธรรมแลวพจารณาตาม กเปรยบเสมอนดอกบวท

อยใตนำา ซงมโอกาสทจะคอยๆ โผลขนมาเบงบานไดในวนหนง เมอไรกตามทดอกบวจำาพวกนไดรบการอบรมและฝกฝนเพมเตม มการพฒนาตวเองอยสมำาเสมอ กจะเปลยนเปนดอกบวปรมนำา ซงพรอมทจะบานในวนถดไป แตถาเปนพวกทมสตปญญาฉลาดเฉลยว สามารถรแจงไดในทนท กจะเปรยบเสมอนดอกบวทอยพนนำา เมอตองแสงอาทตยกจะเบงบานในทนทนนเอง [1] เหนไหมครบวา เราสามารถนำาคำาเหลานมาเปรยบเทยบกบสงตางๆ ทอยรอบตวเรา เฉกเชนดงดอกบวทไดกลาวมา ทนาสนใจคอ ความเปรยบเหลานสามารถนำามาใชชวยอธบายการแบงวสดทใชในเครองมอตางๆ และพบเหนในชวตประจำาวน 4 กลมตอไปน กลมวสดโงทบ (บวใตตม) กลมวสดฉลาด (บวใตนำา) กลมวสดอจฉรยะ (บวปรมนำา) และกลมวสดรแจง (บวพนนำา) ตอจากนเรามาลองทำาความรจกกบวสดเหลานกนบางดกวา โดยเรมตนจากวสดพวกแรกกนเลย

วสดโงทบ (Dumb materials)เปนวสดทแสดงพฤตกรรมโงทบสมกบชอ เพราะไมสามารถทจะรบรถงคำาสง และยงไมสามารถตอบสนองหรอพฒนาตนเองได วสดเหลานจงเหมาะสำาหรบการนำามาใชงานทไมยงยากซบซอน เชน แวนตากนแดด หรอลวดดดฟนแบบงายๆ ถงแมนวาวสดเหลานจะถกจดอยในกลมวสดโงทบกตาม

1

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556แตวสดเหลานกมประโยชนตอการดำาเนนชวตประจำาวนของพวกเรามากทสด เพราะมกหาไดงาย และมราคาไมแพง แตเมอไรกตามทวสดเหลานสามารถตอบสนองคำาสง หรอสงกระตนได เราจะเรยกวสดเหลานวา วสดฉลาด (Smart materials)เชน ถาเปนแวนตากนแดดกจะเปนแบบทสามารถปรบสไดเองตามความเขมของแสงทเปลยนแปลงไป หรอทเราเรยกกนวา แวนกนแดดอตโนมต (Automatic sunglasses) [2] ซงเหมาะสำาหรบคนทมปญหาดานสายตาเพราะแทนทจะตองสวมใสแวนตาทมเลนสปกตในทรม และพกแวนทมเลนสสดำา หรอสชาอกอนหนง เพอเอาไวใสกนแดด กสามารถสวมใสแวนสายตาแบบออโตเลนสเพยงอนเดยวกพอไมวาจะอยในรมหรอกลางแจง นอกจากแวนตาดงกลาวจะฉลาดพอทจะทำาการปรบสของเลนสไปตามความเขมของแสงไดแลว กยงชวยเราลดภาระในการพกพาสงของทอาจหลงลมไดงาย จรงไหมครบ สำาหรบลวดดดฟนเองกมการพฒนาใหมความฉลาดมากยงขนเชนกน อยางเชนในกรณของการนำาวสดในกลมโลหะจำารป (Shape memory alloys) มาทำาเปนลวดดดฟน เนองจากวสดชนดนมความยดหยนสงกวาลวดดดฟนแบบปกตททำาจากเหลกกลาไรสนมถง 10 เทา จงชวยใหผทตองใชลวดดดฟนรสกเจบปวดนอยลง ทงนเนองจากลวดดดฟนทวไปจะมความแขงแรงสงจนกอใหเกดการกระชาก และทำาลายเซลลรากฟนไดงาย นอกจากน การใชลวดดดฟนแสนฉลาดนกยงชวยทำาใหเราไมตองไปพบคณหมอฟนบอยๆ เพอใหคณหมอดงลวดใหเราตามเวลา

นด เพราะลวดดดฟนแสนฉลาดนจะคอยๆ คนรปตวเองอยางชาๆ จงคอยๆ ดงฟนของเราใหจดเรยงตวอยางสวยงามตามทคณหมอฟนไดจดเอาไวใหตงแตตอนแรก [3] ทนเรากไมตองทนเจบทจะตองใหคณหมอฟนมาดงเหลกบอยๆ แลว นาจะทำาออกมาตงนานแลวใชไหมครบ

ถาวสดฉลาดเหลานสามารถซอมแซมตวเอง หรอพฒนาตวเองใหดยงขนได เรากจะเรยกวสดเหลานวา วสดอจฉรยะ (Intelligent materials)เพราะนอกจากจะเปนวสดทมหวคดแลว ยงมตรรกะ เนองจากมซอฟตแวร หรอกลไกในการทำางานซอนอยขางใน เลยทำาใหวสดเหลานมความเปนอจฉรยะ หรอมความฉลาดมากกวาพวกวสดในกลมกอนหนาน อยางเชน นวตกรรมใหมของนกวจยจากรฐอรโซนา ประเทศสหรฐอเมรกา ทไดทดลองผสมเสนใยนำาแสง (Fiber optics) กบวสดในกลมพอลเมอรจำารป (Shape memory polymers) จนเกดเปนวสดอจฉรยะชนดใหมทสามารถซอมแซมตวเองได (Self-healing materials) เมอเกดการแตกหกเสยหาย โดยทางนกวจยไดคาดการณวาในอนาคตเรานาจะไดเหนรถยนตทสามารถคนรปรางเดมไดโดยไมมรองรอยของการบบสลาย แมวาพงจะเกดอบตเหตมาโดยไมตองไปเสยเวลาเขาอ และเสยเงนเคาะพนสใหมดงเชนทเปนอย [4]

สำาหรบวสดกลมสดทาย กคอ กลมวสดรแจง (Wise materials)หรอพวกวสดขนเทพนเอง เพราะนอกจากจะเปนวสดทมความฉลาด มสตปญญา มความคดและ

2

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556สามารถตดสนใจไดเองแลว ยงมมโนธรรม มจรยธรรม รจกแยกแยะผดชอบชวดอกดวย พอมาถงตรงนกทำาใหผเขยนนกเปรยบเทยบกบภาพยนตรเรอง “Terminator 2:Judgment Day” ทออกฉายในชวงป 1991 ในภาพยนตรเรองนมหนยนตสงหารทเรยกวา Terminator รน T-800 ในภาพยนตรกลาววาเปน “cybernetic organism” ทมโครงสรางภายในเปนโลหะหอหมดวยเนอเยอมชวต ถกสงยอนเวลามาปกปอง เดกชายจอหน คอนเนอร จากหนยนตสงหารรน T-1000 ซงเปนรนใหมกวาทสรางจากวสด “Mimetic poly-alloy” ซงเปนโลหะเหลวทสามารถเลยนแบบรปรางภายนอกของสงทสมผส และหนยนตยงสามารถเลยนแบบเสยงของสงมชวตทไดสมผสดวย ระหวางการดำาเนนเรองเราจะเหนพฒนาการของพระเอกจากหนยนตสงหารททำาตามคำาสงทรบมาเทานน (วสดโงทบ) กเรมทจะเรยนร (วสดฉลาด) และพฒนาตนเอง สามารถซอมแซมตนเองได (วสดอจฉรยะ) จนกระทงถงตอนจบ พระเอกของเราไดตดสนใจพลชพ ยอมทำาลายไมโครชป (Microchip) ทเปนตนแบบสำาหรบการพฒนาหนยนตสงหารทเปนภยกบมนษยในวนขางหนา สดทายเจา T-800 กมจรยธรรม รจกแยกแยะถกผดและคดไดเอง โดยไมตองมใครมาสงการ (วสดรแจง) [5]

นอกจากทไดกลาวมาน ในวงวชาการกยงมการนยามความหมายของคำาวา วสดฉลาด ในแงมมอนๆ อกดงน ในป ค.ศ. 1998 J. A. Harvey [6] ไดกลาววา วสด

ฉลาดคอวสดทไดรบการกระตน หรอสงผานจากสงเรา ไดแก ความเคน ความเครยด อณหภม สนามไฟฟา หรอสนามแมเหลก เปนตน และมการตอบสนองกลบออกไปสงผลใหวสดเกดการเปลยนแปลง เชน การเปลยนแปลงของส หรอรปราง ตอมาในป ค.ศ. 2004P. F. Gobin และคณะ [7] ไดเสนอวา วสดฉลาดนนสามารถแบงออกไดเปน 3 แบบ ตามขอบเขตของการพฒนางานวจย และการนำาไปประยกตใชงาน โดยในแบบแรกจะเปนพวกวสดทไวตอสงเรา วสดพวกนเหมาะจะใชทำาเปนตวตรวจจบ (Sensors) สวนแบบท 2 คอวสดทมความสามารถในการปรบตว หรอเปลยนแปลงรปราง พวกนเหมาะสำาหรบทำาเปนแอคซเอเตอร (Actuators) สวนแบบสดทาย คอวสดทมการผสมผสานวสดทง 2 แบบขางตนเขาดวยกน ซงจะเรยกวสดเหลานวา วสดฉลาดจรงๆ (Really smart materials)ในบทความนจะขอยกตวอยางวสดฉลาดทมการประยกตใชงานมากและพบเหนไดในชวตประจำาวน เชน วสดเพยโซอเลกทรก วสดเทอรโมอเลกทรก และวสดโลหะจำารป เปนตน

วสดเพยโซอเลกทรก (Piezoelectric materials) [8] คอวสดทสามารถเปลยนแปลงทศทางของโพลาไรเซชน (Polarization) ทางไฟฟาภายในโครงสรางผลกไปตามการเปลยนแปลงของพลงงานกล (แรงกดหรอแรงดง) ทไดรบมา คนพบโดย Jacques และ Pierre Curie ในป ค.ศ. 1880 [9] ซงเมอนำาวงจรไฟฟามาตอเขากบวสดเพยโซอเลกทรกภายใตแรงดง

3

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556กจะมกระแสไหลเขาวงจรดงกลาว แตถาเปลยนจากแรงดงเปนแรงอดกจะทำาใหเกดกระแสไหลในทศทางตรงกนขาม ดงรปท 1 (ก) ซงเรยกปรากฏการณนวา เพยโซอเลกทรกแบบโดยตรง สำาหรบการประยกตใชงานกไดแก ไมโครโฟน และอปกรณตรวจจบสญญาณแผนดนไหว เปนตน ตอมา G. Lippmann กไดคนพบวาวสดเพยโซอเลกทรกเหลานยงสามารถเปลยนแปลงรปราง (มการยดหรอหดตว) ไปตามการเปลยนแปลงของสนามไฟฟาภายนอกทไดรบมาไดเชนเดยวกน ดงรปท 1 (ข) ซงเรยกปรากฏการณนวา เพยโซอเลกทรกแบบโดยออม สำาหรบการนำาไปประยกตใชงานกไดแก ลำาโพง และอปกรณอลตราโซนคทรานสดวเซอร (Ultrasonic transducers) เปนตน

รปท 1 ปรากฏการณเพยโซอเลกทรกแบบ (ก) โดยตรง และ (ข) โดยออม [10]

โดยมคาคงทเพยโซอเลกทรก (Piezoelectric charge coefficient; d) เปนดชนบงชถงคณสมบตความเปนเพยโซอเลกทรกทสำาคญของวสด ซงคานจะสมพนธกบสนามไฟฟาทเกดจากแรงเคนและสามารถเขยนใหอยในรปของคาสมประสทธ

แรงดนเพยโซอเลกทรก(Piezoelectric voltage coefficient; g) ซงมหนวยเปนโวลตตอนวตนตอตารางเมตรไดตามสมการ

g = Open Circuit Electric Field /Applied Mechanical Stress(1)

ซงคา g มความสมพนธเกยวของกบคา d ตามสมการ

g= dεr ε0 (2)

เมอ คอ สภาพยอมสมพทธ (Relative

permittivity) หรอคาคงทไดอเลกทรก (Dielectric constant) ของวสดเทยบกบของสญญากาศ

คอ สภาพยอมของสญญากาศ (Permittivity of free space, = 8.854 × 10-12 F/m)นอกจากน กยงมคาสมประสทธทใชเปนดชนบงชถงคาความสามารถในการเปลยนแปลงพลงงานของวสด เชน จากพลงงานไฟฟาไปเปนพลงงานกล หรอในทางกลบกน กคอคา Piezoelectric coupling factor (k) ซงมความสมพนธตามสมการ

k = (Energy output/ Total mechanical energy input)1/2 (3)

วสดเทอรโมอเลกทรก (Thermoelectric materials) [8, 11] คอวสดทสามารถเปลยนแปลงพลงงานความรอนไปเปนพลงงานไฟฟา หรอในทางกลบกนกได โดยแบงออกไดเปน 3 ปรากฏการณหลกดงน

4

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556

1. ปรากฏการณซเบค (Seebeck effect) คนพบโดย T.J. Seebeck ในป ค.ศ. 1821 ซงมรากฐานอยทการผนความรอนไปเปนกระแสไฟฟา เมอมการใหพลงงานความรอนไปทบรเวณรอยตอระหวางวสดตวนำาสองชนดแลวทำาใหเกดมกระแสไฟฟาไหลในวงจรปดได และสามารถอธบายความสมพนธไดดวยสมการ

ΔV = αΔT (4)เมอ V = ความตางศกยไฟฟา (V)

α = สมประสทธซเบค (Seebeck coefficient; V/K) และ

T = อณหภม (K)

วสดเทอรโมอเลกทรกจะตองเปนวสดทมคา α ไมเทากบศนย โดยอาจมคาสมประสทธซเบคทเปนไดทงคาบวกและคาลบ เชน สารกงตวนำา N-type จะม α เปนลบ ในขณะทสารกงตวนำา P-type จะม α เปนบวก เปนตนสำาหรบการนำาไปประยกตใชงานไดแก เครองกำาเนดพลงงานไฟฟาจากความรอน (Thermoelectric power generator)

2. ปรากฏการณเพลทเยอร (Peltier effect) คนพบโดย J.C.A. Peltier ในป ค.ศ. 1834 เปนปรากฏการณทเกดคกนกบปรากฏการณซเบคเมอมกระแสไฟฟาไหลจะมความรอนเกดขนทรอยตอของตวนำา สวนคาความรอนจะเพมขนหรอลดลงนนกขนอยกบทศการไหลของกระแสไฟฟาเปนสำาคญและปรากฏการณนกถกนำามาใชประโยชนในการทำาระบบหลอเยนแบบ Thermoelectric refrigeration และสามารถหาคา

สมประสทธของเพลทเยอร () ของบรเวณรอยตอของวสดไดจากสมการ

= αT(5)

ถาวสดมคา < 0 อเลกตรอนจะเคลอนทจากทางดานขวามาทางดานซาย โดยทการไหลเวยนของความรอน และกระแสไฟฟา(ซงตรงขามกบการไหลของอเลกตรอน) จะมทศทางตรงขามกน แตถาวสดมคา > 0 โฮล (hole) จะเคลอนทจากทางดานซายมาทางดานขวา ซงในกรณหลงนความรอน และกระแสไฟฟาจะไหลไปในทศทางเดยวกน

3. ปรากฏการณทอมสน (Thomson effect) คนพบโดย W. Thomson ในป ค.ศ. 1954 เปนปรากฏการณทเกยวของกบอตราการแพรของความรอนแบบผนกลบ เมอมกระแสไฟฟาไหลผานวสดตวนำาสองชนดในปรมาณทไมเทากน จะกอใหเกดอณหภมทแตกตางกนนนเอง ซงปรากฏการณนไดถกนำาไปประยกตใชงานใน เทอรโมอเลกทรกไพโรมเตอร (Thermoelectric pyrometer) และสามารถหาความสมพนธระหวางคาสมประสทธซเบคและคาสมประสทธทอมสน(Thomson coefficient; (VK-1)) ไดจากสมการ

= T(dα/dT)(6)วสดโลหะจำารป (Shape

memory alloys) [12] คอวสดในกลมของโลหะทสามารถคนกลบสรปรางเดมไดเมอไดรบอณหภมทเหมาะสม ถงแมวาจะไดรบแรงกลมากระทำาจนเกดการเปลยนแปลงรปรางไปอยางถาวรแลวกตาม ซงความสามารถในการ

5

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556จดจำารปรางเดมนเกดจากการเปลยนแปลงโครงสรางผลกภายในวสดเปนกลไกสำาคญ ดงนนวสดโลหะจำารปสวนใหญจงตองมโครงสรางผลกทเปนไปไดอยางนอย 2 โครงสราง เชน การเปลยนจากโครงสรางผลกชนดมารเทนไซต (Martensite) ไปเปนโครงสรางผลกชนดออสเทนไนต (Austenite) ในโลหะจำารปชนดทกอใหเกดสมบตสภาพยดหยนยงยวด (Super Elasticity) และปรากฏการณการจดจำารปราง (Shape Memory Effect) ดงรปท 2 สำาหรบการนำาไปประยกตใชงานกไดแก ลวดดดฟนฉลาด ลวดนำาทางสำาหรบการผาตดทตองสอดสายสวน และลนเปดปดสำาหรบอตสาหกรรมอากาศยานและเรอเดนสมทร เปนตน

รปท 2 การเปลยนโครงสรางผลกในโลหะจำารปเนองจากการเปลยนแปลงของอณหภม [12]โดยทคาอณหภมตางๆ ในรปท 2

Ms คอ อณหภมทวสดเรมเปลยนจากโครงสรางออสเทนไนตไปเปนโครงสรางมารเทนไซต

Mf คอ อณหภมทวสดเปลยนไปเปนโครงสรางมารเทนไซตไดอยางสมบรณ

As คอ อณหภมทวสดเรมเปลยนจากโครงสรางมารเทนไซตไปเปนโครงสรางออสเทนไนต

Af คอ อณหภมทวสดเปลยนไปเปนโครงสรางออสเทนไนตไดอยางสมบรณ

จากทไดกลาวมาในเบองตนจะเหนไดวาวสดฉลาดนน สามารถรบรและตอบสนองตอการเปลยนแปลงของภาพแวดลอมรอบตว ตามรปแบบทมการกำาหนดไวกอนลวงหนาเหมอนพฤตกรรมทางธรรมชาตของสงมชวต โดยมสวนประกอบทสำาคญอย 2 สวน กคอ สวนททำาหนาทรบแรงกระตนทไดจากสงแวดลอมรอบๆ หรอจะเรยกไดวาเปนสวนทมความไวตอสงเรา อกสวนกคอ สวนทมความสามารถในการปรบตว ซงทำาหนาทในการตอบสนองและปรบเปลยนรปราง ตำาแหนง หรอลกษณะเฉพาะทางกลอนๆ เพอตอบสนองการเปลยนแปลงของอณหภม สนามไฟฟา หรอ สนามแมเหลก โดยสามารถแสดงความสมพนธระหวางแรงกระตนจากภายนอกหรอสงเรา (Input) กบรปแบบการตอบสนองหรอสมบตทตอบสนอง (Output) ของวสดฉลาดตามลกษณะของการใชงานไดดงตารางท 1 ซงจะเหนไดวา วสดฉลาดนนมอยดวยกนมากมายหลายชนด และยงสามารถแบงออกไดเปนหลายกลมยอยๆ ดวยกน ตามคณลกษณะเดนทวสดนนๆ ไดแสดงออกมา และทสำาคญวสดเหลานไดถกนำามาประยกตใชงานในชวตประจำาวนของเราเพมมากขนทกวน

6

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556เอกสารอางอง[1] http://variety.teenee.com/saladharm/46127.html [2] http://www.allaboutvision.com/lenses/photochromic.htm[3] http://women.postjung.com/645006.html[4] http://www.neutron.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=

com_content&task=view&id=1750&Itemid=4[5] http://www.movieguide.org/reviews/1-3847.html[6] Harvey, J. A., Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4thEdn., Supplement, John Wiley, 1998

ตารางท 1

[7] Gobin, P. F., Jayet, Y., Guy, P., Godin, N., Morin, M., Gauthier, C., Kléber, X., Reynaud, P., Courbon, J. and Cavaillé, J. Y., Smart Materials Group at the National Institute of Applied Science

Recent Data and Trends, Mater. Trans. 2004,45 ,166[8] Moulson, A. J. and Herbert, J. M., Electroceramics, Wiley, England, 2003.

7

วารสารฟสกสไทย มนาคม 2556 – สงหาคม 2556[9] ชาญณรงค นอยบางยาง และ ถาวร สวรรณกจ, ปรากฏการณเพยโซอเลกทรกและการประยกตใชงาน , วารสารวทยาศาสตรประย กต ป ท 8 ฉบบท 1 มถนายน 2552[10] http://bme240.eng.uci.edu/students/06s/yuhsianh/Piezoelctric%20effect.htm[11] http://pineapple-eyes.snru.ac.th/thermo/index.php?q=node/6[12] http://mic.eng.ku.ac.th/materials-resources-detail.php?id_sub=28&id=

94

8