Como funciona o elemento piezoelétrico e qual é o efeito piezoelétrico

O efeito piezoelétrico foi descoberto pelos cientistas franceses, os irmãos Curie, no final do século XIX. Naquela época, era muito cedo para falar sobre a aplicação prática do fenômeno descoberto, mas atualmente, os elementos piezoelétricos são amplamente utilizados tanto na tecnologia quanto na vida cotidiana.

A essência do efeito piezoelétrico

Físicos famosos estabeleceram que quando alguns cristais (cristal de rocha, turmalina, etc.) são deformados, surgem cargas elétricas em suas faces. Ao mesmo tempo, a diferença de potencial era pequena, mas foi fixada com confiança pelos dispositivos que existiam na época e, conectando seções com cargas polares opostas usando condutores, foi possível obter eletricidade. O fenômeno foi fixado apenas na dinâmica, no momento da compressão ou alongamento. A deformação no modo estático não causou efeito piezoelétrico.

Logo, o efeito contrário foi teoricamente justificado e descoberto na prática - quando uma tensão era aplicada, o cristal era deformado.Descobriu-se que ambos os fenômenos estão interconectados - se uma substância exibe um efeito piezoelétrico direto, o oposto também é inerente a ela e vice-versa.

O fenômeno é observado em substâncias com uma rede cristalina do tipo anisotrópica (cujas propriedades físicas são diferentes dependendo da direção) com assimetria suficiente, bem como algumas estruturas policristalinas.

Em qualquer corpo sólido, as forças externas aplicadas causam deformação e tensões mecânicas, e em substâncias com efeito piezoelétrico, também causam polarização de cargas, e a polarização depende da direção da força aplicada. Ao mudar a direção de exposição, tanto a direção de polarização quanto a polaridade das cargas mudam. A dependência da polarização com a tensão mecânica é linear e é descrita pela expressão P=dt, onde t é a tensão mecânica e d é um coeficiente denominado módulo piezoelétrico (módulo piezoelétrico).

Um fenômeno semelhante ocorre com o efeito piezoelétrico reverso. Quando a direção do campo elétrico aplicado muda, a direção da deformação muda. Aqui a dependência também é linear: r=dE, onde E é a intensidade do campo elétrico e r é a deformação. O coeficiente d é o mesmo para efeitos piezoelétricos diretos e inversos para todas as substâncias.

Na verdade, as equações acima são apenas estimativas. As dependências reais são muito mais complicadas e também são determinadas pela direção das forças em relação aos eixos do cristal.

Substâncias com efeito piezoelétrico

Pela primeira vez, o efeito piezoelétrico foi encontrado em cristais de rocha (quartzo). Até hoje, esse material é muito comum na produção de elementos piezoelétricos, mas não apenas materiais naturais são usados ​​na produção.

Muitos piezoelétricos são feitos de substâncias com a fórmula ABO.₃, por exemplo, BaTiO₃, РbТiO₃. Esses materiais têm uma estrutura policristalina (composta por muitos cristais) e, para que tenham a capacidade de exibir um efeito piezoelétrico, devem ser submetidos à polarização usando um campo elétrico externo.

Existem tecnologias que possibilitam a obtenção de filmes piezoelétricos (fluoreto de polivinilideno, etc.). Para dar-lhes as propriedades necessárias, eles também precisam ser polarizados por um longo tempo em um campo elétrico. A vantagem de tais materiais é uma espessura muito pequena.

Propriedades e características de substâncias com efeito piezoelétrico

Como a polarização ocorre apenas durante a deformação elástica, uma característica importante de um piezomaterial é sua capacidade de mudar de forma sob a ação de forças externas. O valor dessa capacidade é determinado pela complacência elástica (ou rigidez elástica).

Cristais com efeito piezoelétrico são altamente elásticos - quando a força (ou tensão externa) é removida, eles retornam à sua forma original.

Os piezocristais também têm sua própria frequência de ressonância mecânica. Se você fizer o cristal vibrar nessa frequência, a amplitude será especialmente grande.

 

Como o efeito piezoelétrico se manifesta não apenas por cristais inteiros, mas também por placas deles cortadas sob certas condições, é possível obter pedaços de substâncias piezoelétricas com ressonância em diferentes frequências, dependendo das dimensões geométricas e da direção do corte.

Além disso, as propriedades vibracionais dos materiais piezoelétricos são caracterizadas por um fator de qualidade mecânica. Mostra quantas vezes a amplitude das oscilações na frequência ressonante aumenta com uma força aplicada igual.

Existe uma clara dependência das propriedades de um piezoelétrico em relação à temperatura, que deve ser levada em consideração ao usar cristais. Essa dependência é caracterizada pelos coeficientes:

• o coeficiente de temperatura da frequência ressonante mostra o quanto a ressonância vai embora quando o cristal é aquecido/resfriado;
• o coeficiente de expansão de temperatura determina o quanto as dimensões lineares da placa piezoelétrica mudam com a temperatura.

A uma certa temperatura, o piezocristal perde suas propriedades. Este limite é chamado de temperatura de Curie. Este limite é individual para cada material. Por exemplo, para o quartzo é +573 °C.

Uso prático do efeito piezoelétrico

A aplicação mais famosa de elementos piezoelétricos é como elemento de ignição. O efeito piezoelétrico é usado em isqueiros de bolso ou acendedores de cozinha para fogões a gás. Quando o cristal é pressionado, surge uma diferença de potencial e uma faísca aparece no entreferro.

Esta área de aplicação de elementos piezoelétricos não está esgotada. Cristais com efeito semelhante podem ser usados ​​como strain gages, mas essa área de uso é limitada pela propriedade do efeito piezoelétrico de aparecer apenas na dinâmica - se as mudanças param, o sinal para de gerar.

Os piezocristais podem ser usados ​​como microfone - quando expostos a ondas acústicas, são formados sinais elétricos. O efeito piezoelétrico reverso também permite (às vezes simultaneamente) o uso de elementos como emissores de som. Quando um sinal elétrico é aplicado ao cristal, o elemento piezoelétrico começará a gerar ondas acústicas.

Esses emissores são amplamente utilizados para criar ondas ultrassônicas, em particular, na tecnologia médica. No isto as propriedades ressonantes da placa também podem ser usadas.Pode ser usado como um filtro acústico que seleciona apenas ondas de frequência natural. Outra opção é usar um elemento piezoelétrico em um gerador de som (sirene, detector, etc.) simultaneamente como elemento de ajuste de frequência e de emissão de som. Neste caso, o som sempre será gerado na frequência ressonante, e o volume máximo pode ser obtido com pouco consumo de energia.

As propriedades de ressonância são usadas para estabilizar as frequências dos geradores que operam na faixa de radiofrequência. As placas de quartzo desempenham o papel de circuitos oscilatórios altamente estáveis ​​e de alta qualidade em circuitos de ajuste de frequência.

Ainda existem projetos fantásticos para converter a energia de deformação elástica em energia elétrica em escala industrial. Você pode usar a deformação do pavimento sob a influência da gravidade de pedestres ou carros, por exemplo, para iluminar trechos dos trilhos. Você pode usar a energia de deformação das asas da aeronave para fornecer a rede da aeronave. Tal uso é limitado pela eficiência insuficiente dos elementos piezoelétricos, mas já foram criadas plantas-piloto que prometem melhorias.

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